Aluminium Tolerance Mechanisms in Brachiaria sp.

Abstract

La tesis se ha centrado en el estudio las diferentes respuestas a la toxicidad por aluminio en tres especies del genero Brachiaria (gramíneas forrajeras de importancia económica) con el fin de contribuir a una mejor comprensión de los mecanismos de resistencia del Al. La investigación se dividió en 5 capítulos. En el primer capítulo se evaluó la respuesta de tres especies del genero Brachiaria a la toxicidad del aluminio. Brachiaria decumbens, B. brizantha y B. ruziziensis fueron crecidas en solución nutritiva completa de baja fuerza iónica y pH ácidos. Se realizaron ensayos para las respuestas al aluminio tales como el crecimiento radicular, primer síntoma de toxicidad y la capacidad para mantener la homeostasis adecuada de nutrientes. En el segundo capítulo hemos utilizado diferentes métodos de tinción para analizar los efectos tóxicos y la distribución de aluminio en el ápice de las especies de Brachiaria. Para la observación del efecto del aluminio y ubicación del aluminio en los ápices de las raíces se utilizaron varias técnicas de tinción: tinción con lumogallion-DAPI, morin y su posterior observación al microscopio confocal. B. decumbens es más eficiente en la exclusión del aluminio, en esta especie fue observada la formación de pelos radiculares, los cuales se desarrollan muy cerca del ápice, contribuyendo a una baja acumulación de aluminio en zonas sensibles. En el tercer capítulo fueron observadas las superficies radiculares para dos especies de Brachiaria, B. decumbens y B. brizantha, utilizando los microscopios SEM-EDX y TEM. Esto con el fin de estudiar los posibles cambios en la estructura y ultraestructura de las plantas en respuesta al aluminio. El Al indujo alteraciones estructurales y ultraestructurales en ambas especies de Brachiaria. Sin embargo, la especie más tolerante al aluminio, B. decumbens, mostró una recuperación después de 96h de exposición a Al. Estos resultados indican el carácter inducible de la tolerancia mecanismo de Al en B. decumbens. En el cuarto capítulo se realizo un análisis de sustancias fenólicas con el objetivo de encontrar su relación en la tolerancia al Al en B. decumbens y B. brizantha y poder contribuir a una mejor comprensión de la hiperresistencia al Al en B. decumbens. Los compuestos fenólicos cambian en la presencia toxicidad por Al. En el último capítulo se estudiaran los cambios producidos por el aluminio a nivel de prteinas en la especie B. decumbens. Fue llevado a cabo este análisis por una moderna técnica 2-D-DIGE y análisis MALDI-TOF. Fueron identificadas 11 proteínas que fueron up y down-regulate durante la exposición al aluminio a las horas 96h. La cantidad de PAL (fenilalanina-amoniao-liasa) fue down-regulate después de 24h de exposición al aluminio, pero este se recupera casi a los niveles del control a 96h.

This thesis considers the differential responses to Al toxicity of three contrasting Brachiaria species in order to contribute to a better understanding of the Al resistance mechanisms in these economically important fodder grasses. The research was divided into 5 chapters. In the first one, we evaluated the response of three Brachiaria species to aluminium toxicity. Brachiaria decumbens, B. brizantha and B. ruziziensis were grown in low ionic strength nutrient solution and pH acid. Root elongation and the ability to maintain adequate nutrient homeostasis under Al stress was evaluated by mineral analysis of roots. In the second chapter we used different staining methods to analyse toxic effects and distribution of Aluminium in the root apex of the Brachiaria species. Localization of Al in Brachiaria roots was performed using confocal fluorescence microscopy of lumogallion or morin stained roots. In B. decumbens more efficiently excluded Al from the roots and in this species Al was localized mainly in root hair initials that developed close to the apex. These sites with high Al accumulation seem to contribute to low Al accumulation in sensitive root zones. In the third chapter Al-induced alterations on root surface structure of two Brachiaria species were observed. SEM-EDX and TEM techniques were used for better characterizing the time dependent responses to Al in B. decumbens and B. brizantha. We found that Al induced structural and ultrastructural alterations in both Brachiaria species. However, in the Al resistant B. decumbens root recovered after 96 h exposure to Al. These results indicate the inducible character of the Al tolerance mechanism in B. decumbens In the fourth chapter we explored the possible implication of phenolic substances in the differential Al tolerance of B. decumbens and B. brizantha in order to contribute to a better understanding of this hyperresistance to Al in B. decumbens. The phenolics change in the presence of Al-toxicity. Once characterize the most Al tolerant species (B. decumbens) in the last chapter the proteomic study was focused on this species. We conducted proteomic analysis of B. decumbens roots under Al stress after different exposure two times using 2-D-DIGE and MALDI-TOF analysis. A relative small number of only 11 proteins were found to be specifically up or down regulated during the first 96h of exposure to Al. Among those PAL (phenylalanine ammonia lyase) was found to be down regulated after 24 h exposure to Al, but recovered after 96 h.