Nitrogen dynamics in sugarcane: nutritional strategies under elevated CO2 and the spatial distribution along the leaf blade

dc.contributor.advisorMarchiori, Paulo Eduardo Ribeiro
dc.contributor.co-advisorZambrosi, Fernando Cesar Bachiega
dc.contributor.refereeSales, Cristina Rodrigues Gabriel
dc.contributor.refereeNascimento, Vitor de Laia
dc.contributor.refereeRubio, Zulma Catherine Cardenal
dc.creatorAvelar, Rafaella de Paula
dc.creator.Latteshttps://lattes.cnpq.br/7315999405024538
dc.date.accessioned2025-11-10T17:18:48Z
dc.date.issued2025-09-24
dc.description.abstractNitrogen (N) is an essential macronutrient involved in critical plant metabolic processes, including the synthesis of amino acids, proteins, nucleic acids, and pigments. Elevated atmospheric CO2 (eCO2) generally enhances photosynthesis but often reduces leaf N content, a phenomenon known as CO2 acclimation. Adjusting the NO3−:NH4+ ratio in nutrient solutions may help mitigate this decline, particularly in sugarcane (Saccharum spp.), which exhibits genotypic variation in NH4+ uptake and tolerance. Besides this understanding N assimilation, redistribution, and utilization along the leaf can reveal adaptive strategies to optimize N use and photosynthetic capacity, supporting sustainable agronomic practices. This study tested two hypotheses: (i) eCO2 enhances NH4+ assimilation in sugarcane, and increasing NH4+ supply alleviates N decline, potentially mediated by chloroplast positioning due to its role in photosynthetic efficiency; and (ii) total N, NH4+, and NO3− follow a gradient along the sugarcane leaf blade, which is modified under increased NH4+ supply. Sugarcane stem nodes (var. RB 855536) were sprouted and grown in 10 L pots with washed sand under greenhouse conditions (28.8°C, 79% RH) for 45 days. Plants were fertigated every two days with a complete nutrient solution at two NO3−:NH4+ ratios (87.5:12.5 and 50:50), gradually increasing ionic strength during acclimation. Afterward, plants were transferred to open-top chambers (OTCs) for nine days for acclimatation, before exposure to either ambient CO2 (400 μmol mol−1) or elevated CO2 (800 μmol mol−1) for 35 days. CO2 concentrations inside the OTCs were monitored every three hours using an infrared gas analyzer. A 2 × 2 factorial design with nine replicates per treatment was employed. Results show that eCO2 enhanced NH4+ assimilation, with higher NH4+ supply increasing total leaf N. Both eCO2 and elevated NH4+ shifted chloroplasts toward a centripetal arrangement, suggesting enhanced PEPCK activity and photosynthetic efficiency. Biochemical analyses revealed gradients of total N, NH4+, and NO3− along the leaf blade, and increased NH4+ promoted redistribution of inorganic N, potentially optimizing N use and reducing toxicity. These findings provide mechanistic insights into N metabolism under eCO2 and inform strategies to improve N use efficiency in sugarcane under future climate scenarios.
dc.description.areastematicasdaextensaoMeio ambiente
dc.description.odsODS 2: Fome zero e agricultura sustentável
dc.description.odsODS 7: Energia limpa e acessível
dc.description.odsODS 12: Consumo e produção responsáveis
dc.description.odsODS 13: Ação contra a mudança global do clima
dc.description.odsODS 15: Vida terrestre
dc.description.resumoO nitrogênio (N) é um macronutriente essencial envolvido em processos metabólicos críticos das plantas, incluindo a síntese de aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos e pigmentos. A elevação do CO2 atmosférico (eCO2) geralmente aumenta a fotossíntese, mas frequentemente reduz o teor de N nas folhas, um fenômeno conhecido como aclimatação ao CO2. Ajustar a razão NO3−:NH4+ nas soluções nutritivas pode ajudar a mitigar essa redução, particularmente na cana-de-açúcar (Saccharum spp.), que apresenta variação genotípica na absorção e tolerância ao NH4+. Além disso, compreender a assimilação, redistribuição e utilização do N ao longo da lâmina foliar pode revelar estratégias adaptativas para otimizar o uso de N e a capacidade fotossintética, apoiando práticas agronômicas sustentáveis. Este estudo testou duas hipóteses: (i) o eCO2 aumenta a assimilação de NH4+ na cana-de-açúcar, e o aumento do fornecimento de NH4+ alivia a redução de N, potencialmente mediado pelo posicionamento dos cloroplastos devido ao seu papel na eficiência fotossintética; e (ii) o N total, NH4+ e NO3− seguem um gradiente ao longo da lâmina foliar da cana-de-açúcar, o qual é modificado pelo aumento do fornecimento de NH4+. Os nós caulinares da cana-de-açúcar (var. RB 855536) foram germinados e cultivados em vasos de 10 L com areia lavada em casa de vegetação sob condições de estufa (28,8°C, 79% UR) por 45 dias. As plantas foram fertirrigadas a cada dois dias com uma solução nutritiva completa em duas razões NO3−:NH4+ (87,5:12,5 e 50:50), aumentando gradualmente a força iônica durante a aclimatação. Em seguida, as plantas foram transferidas para câmaras abertas (OTCs) por nove dias para aclimatação, antes da exposição a CO2 ambiente (400 μmol mol−1) ou CO2 elevado (800 μmol mol−1) por 35 dias. As concentrações de CO2 dentro das OTCs foram monitoradas a cada três horas usando um analisador de gás por infravermelho. Foi utilizado um delineamento fatorial 2 × 2 com nove repetições por tratamento. Os resultados mostram que o eCO2 aumentou a assimilação de NH4+, sendo que o maior fornecimento de NH4+ elevou o N total nas folhas. Tanto o eCO2 quanto o aumento de NH4+ deslocaram os cloroplastos para um arranjo centrípeto, sugerindo maior atividade da PEPCK e eficiência fotossintética. Análises bioquímicas revelaram gradientes de N total, NH4+ e NO3− ao longo da lâmina foliar, e o aumento de NH4+ promoveu a redistribuição do N inorgânico, potencialmente otimizando o uso de N e reduzindo a toxicidade. Esses achados fornecem esclarecimentos sobre o metabolismo do N sob eCO2 e orientam estratégias para melhorar a eficiência do uso de N na cana-de-açúcar em cenários climáticos futuros.
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq
dc.description.tipodeimpactoOutros
dc.identifier.citationAVELAR, Rafaella de Paula. Nitrogen dynamics in sugarcane: nutritional strategies under elevated CO2 and the spatial distribution along the leaf blade. 2025. 62 p. Tese (Doutorado em Fisiologia Vegetal) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2025.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufla.br/handle/1/60449
dc.language.isopt_BR
dc.publisherUniversidade Federal de Lavras
dc.publisher.collegeInstituto de Ciências Naturais (ICN)
dc.publisher.countrybrasil
dc.publisher.initialsUFLA
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Fisiologia Vegetal
dc.rightsAttribution-NonCommercial 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/br/
dc.subjectNitrogen metabolism
dc.subjectChloroplast
dc.subjectPhotosynthesis
dc.subjectLeaf blade
dc.subjectMetabolismo do nitrogênio
dc.subjectCloroplasto
dc.subjectFotossíntese
dc.subjectLâmina foliar
dc.subject.cnpqCIENCIAS BIOLOGICAS::BOTANICA::FISIOLOGIA VEGETAL
dc.titleNitrogen dynamics in sugarcane: nutritional strategies under elevated CO2 and the spatial distribution along the leaf blade
dc.title.alternativeDinâmica do nitrogênio na cana-de-açúcar: estratégias nutricionais sob CO2 elevado e a distribuição espacial ao longo da lâmina foliar
dc.typedissertação

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