Orientador: Paulo Mazzafera

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia

Resumo: A cana-de-açúcar (Saccharum spp.), uma gramínea C4, representa uma abundante e promissora fonte de biomassa vegetal para a produção de biocombustíveis. O uso da biomassa para a conversão em etanol é limitada pela recalcitrância do material lignocelulósico, principalmente, devido à presença...

Resumo: A cana-de-açúcar (Saccharum spp.), uma gramínea C4, representa uma abundante e promissora fonte de biomassa vegetal para a produção de biocombustíveis. O uso da biomassa para a conversão em etanol é limitada pela recalcitrância do material lignocelulósico, principalmente, devido à presença da lignina. O conteúdo e a composição da lignina variam entre diferentes táxons, tipos celulares e podem ser afetados por diversos fatores ambientais. Considerando a demanda mundial por fontes de energia renovável e o alto potencial da biomassa da cana-de-açúcar para a produção de etanol celulósico, o objetivo desse estudo foi avaliar os efeitos do déficit hídrico e da baixa temperatura sobre a deposição de lignina no colmo em diferentes genótipos de cana. Os resultados obtidos para o conteúdo de lignina somados à caracterização anatômica da lignina no caule indicaram que as plantas IACSP94-2094 são mais lignificadas que IACSP95-5000, sob condições normais de crescimento, o que foi principalmente associado aos maiores teores de lignina na região do córtex dos entrenós maduros. O déficit hídrico influenciou negativamente a produção de biomassa nas plantas de cana e o genótipo IACSP94-2094 foi mais fortemente afetado, o que poderia estar relacionado à severidade do estresse ou a maior suscetibilidade desse genótipo durante a fase de alongamento do caule. O déficit hídrico induziu alterações significativas nos níveis de expressão dos genes da biossíntese de lignina, aumentando em cerca de 60 % o conteúdo de lignina na medula jovem, o que foi positivamente relacionado ao acúmulo de transcritos dos genes Sh4CL2 e ShCOMT1 em ambos os genótipos. Paralelamente, este estudo caracterizou alguns aspectos da lignificação do caule em dois outros genótipos de cana-de-açúcar sob condição de baixa temperatura. Verificou-se que as plantas IACSP04-627 apresentaram maior produtividade média por planta (massa fresca do caule) que IACSP04-065 sob condição referência. O frio afetou negativamente o crescimento das plantas e, aparentemente, IACSP04-065 mostrou-se mais sensível às baixas temperaturas que o outro genótipo. O teor de lignina foi significativamente aumentado no córtex jovem do genótipo IACSP04-627 em resposta às baixas temperaturas, o que não pode ser diretamente correlacionado ao perfil de expressão dos genes da biossíntese de monolignóis. O conteúdo de lignina no córtex do entrenó maduro foi reduzido nas plantas IACSP04-065 expostas ao frio, o que poderia estar correlacionado ao baixo nível de expressão dos genes ShCOMT1 e ShCCoAOMT1. A maior expressão de ShF5H ocorreu preferencialmente na medula madura em ambos os genótipos de cana, o que possivelmente estaria relacionado à formação precoce da parede celular secundária induzida pelo frio. Em conclusão, verificou-se que o déficit hídrico parece estar relacionado ao aumento do teor de lignina nos entrenós jovens da cana-de-açúcar em ambos os genótipos; já na condição de baixa temperatura, o nível de expressão gênica não mostrou relação nítida com as alterações nos teores de lignina no caule, que apresentaram um padrão de deposição genótipo-dependente

Abstract: Sugarcane (Saccharum spp.) a C4 grass, is an abundant and promising source of plant biomass for biofuel production. The use of biomass for conversion to ethanol is limited by the recalcitrance of lignocellulosic material mainly due to the presence of lignin. The content and composition of...

Abstract: Sugarcane (Saccharum spp.) a C4 grass, is an abundant and promising source of plant biomass for biofuel production. The use of biomass for conversion to ethanol is limited by the recalcitrance of lignocellulosic material mainly due to the presence of lignin. The content and composition of lignin varies between different taxa, cell types and can be affected by various environmental factors. Given the global demand for renewable energy sources and high potential of sugarcane biomass to produce cellulosic ethanol, the aim of this study was to evaluate the effects of drought and low temperature on the deposition of lignin in the stem in different sugarcane genotypes. The results obtained for lignin and the anatomical characterization of lignin in the stem indicated that IACSP94-2094 plants are more lignified than IACSP95-5000 under normal growth conditions, which was mainly associated with higher lignin contents in the rind region of mature internodes. Water deficit negatively affected the biomass production in sugarcane plants and IACSP94-2094 genotype was more strongly affected, what might be related with the severity of stress or increased susceptibility of this genotype during the stem elongation. Drought induced significant changes in expression levels of lignin biosynthesis genes, increasing by about 60% the lignin content in young pith which was positively related to the accumulation of transcripts of Sh4CL2 and ShCOMT1 genes in both genotypes. Simultaneously, this study characterized some aspects of lignification of the stem into two other genotypes of sugarcane under the condition of low temperatures. It was found that the IACSP04-627 plants showed higher average yield per plant (fresh weight of the stem) that IACSP04-065 under reference condition. The cold negatively affected plant growth and apparently IACSP04-065 was more sensitive to low temperatures than the other genotype. The lignin content was significantly increased in young rind of IACSP04-627 genotype in response to low temperature, which can not be directly correlated to the expression profile of monolignols biosynthesis genes. Lignin content in mature rind was reduced in IACSP04-065 plants exposed to cold, which could be correlated to the low level of expression of ShCOMT1 and ShCCoAOMT1 genes. The high expression of ShF5H occurred preferentially in mature pith of both sugarcane genotypes, which possibly is related to the early formation of the secondary cell wall was induced by cold. In conclusion, it was found that water deficit appears to be related to the lignin content increased in young internodes of sugarcane in both genotypes; in the condition of low temperature, the level of gene expression showed no clear correlation with changes in lignin content in the stem, which showed a pattern of deposition genotype-dependent