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Title: Cytogenetic and biochemical characterization of the progeny of plants of bread wheat ‘Jordão’ biofortified with Iron and/or Zinc
Authors: Miguel Ângelo DiasBaltazar,
Advisor: Brito, José Eduardo Lima
Carvalho, Ana Isabel Ferreira de
Keywords: Biochemical profile
cell cycle
Issue Date: 5-Feb-2020
Abstract: Seed priming with micronutrients (nutripriming) has several agronomic advantages if performed with suitable dosages. Nutripriming has been commonly used in the biofortification of crops such as bread wheat (Triticum aestivum L. em Thell.). However, the usage of excessive amounts of micronutrients like Iron (Fe) and Zinc (Zn) can induce cytotoxicity (traceable by both cytogenetic and biochemical analyses) and phytotoxicity (detectable upon the characterization of yield-related components). Nutripriming is performed in each generation, but the benefits and/or the cytotoxicity-related stress memory of nutripriming in the next unprimed generation/offspring is unknown. Therefore, this work evaluated how hydropriming and nutripriming performed in the parental S0 seeds influenced the germination, mitosis, biochemical profile and yield-related components of the first generation of unprimed bread wheat cv. ‘Jordão’ seeds (S1 seeds). The S0 seeds were previously primed with distilled water (hydropriming) and nutriprimed with 4 mg.L-1 and/or 8 mg.L-1 of Fe and/or Zn. These concentrations induced cytotoxicity, nucleolar stress and increased the total soluble protein content. Unprimed S1 seeds were used as control (control S1). In the whole wheat flour samples of each S1 offspring, sixteen free amino acids (a.a.) and five soluble sugars were identified and quantified using HPLC-FLD and HPLC-PAD, respectively. In most of the S1, the content of each a.a. increased relative to the control being glutamic acid and glutamine, proline and glycine the most abundant. Glucose, ash content and crude protein (CP) of the S1 offspring increased relative to the control. However, only the ash content was significantly different (p ˂ 0.05) among the control and remaining offspring. Sucrose, fructose, raffinose, maltose and total starch showed a significant decrease (p ˂ 0.05) in few S1 offspring relative to the control. The protein amount previously determined in the whole wheat flour of S0 seeds was significantly higher (p ˂ 0.05) in those primed with 4 mg.L-1 or 8 mg.L-1 of Fe + Zn. Similar results were observed in their S1. The overall biochemical data revealed that the Fe and/or Zn nutripriming improved the grain nutritional status and the stress tolerance in the S0 seeds and plants, and these advantages were transmitted to the unprimed S1 offspring. The cytotoxicity generated by nutripriming with 4 mg.L-1 and/or 8 mg.L-1 of Fe and/or Zn in the S0 seeds resulted in longer mean germination time (MT) values and high frequencies of cell cycle and chromosomal anomalies. However, their respective S1 offspring showed a higher germination rate, shorter MT values and higher mitotic index (MI). Nonetheless, despite the higher percentages of dividing cells with anomalies (%DCA) observed in the S1, revealing the inheritance of a stress memory, a lower number of anomalies was detected in this offspring. In sum, the germination and cytogenetic data of the S1 suggested an attenuation of the cytotoxicity detected in the S0. Furthermore, the S1 plants surpassed the average values of seven yield-related components characterized previously in the S0 plants. The biochemical, cytogenetic and the yield-related components characterizations performed in this work evidenced the transmission of an attenuated cytotoxicity-related stress memory from the S0 to the S1. A higher intergenerational inheritance of benefits at the biochemical, germination, mitotic and yield level was also detected. Our results demonstrated that the repetition of nutripriming in each generation is unnecessary converting this method on an even more affordable biofortification approach.
O priming de sementes com micronutrientes (nutripriming) tem vantagens agronómicas quando realizado com dosagens adequadas e é frequentemente usado na biofortificação de trigo mole (Triticum aestivum L. em Thell.). Porém, dosagens excessivas de micronutrientes como o Ferro (Fe) e Zinco (Zn) induzem citotoxidade (detetável através de análises citogenéticas e bioquímicas) e fitotoxicidade (observável pela caracterização de componentes relacionados com o rendimento). Como o priming de sementes é realizado em cada geração, desconhece-se se ocorre transmissão de benefícios e/ou memória de stress relacionada com a citotoxicidade para a descendência não-tratada. Assim, este trabalho avaliou a influência do priming de sementes na germinação, mitose, perfil bioquímico e componentes relacionados com o rendimento da primeira geração de sementes não-tratadas da cultivar ‘Jordão’ de trigo mole (sementes S1). Esta descendência teve origem em sementes S0 tratadas com água destilada (hydropriming) e com 4 mg.L-1 e/ou 8 mg.L-1 de Fe e/ou Zn. Estas concentrações induziram citotoxicidade, stress nucleolar e aumento do conteúdo proteico. Uma descendência S1 de sementes não-tratadas foi usada como controlo (controlo S1). Nas amostras de farinha de trigo integral de cada descendência S1, identificaram-se e quantificaram-se dezasseis aminoácidos (a.a.) e cinco açúcares solúveis usando HPLC-FLD e HPLC-PAD, respetivamente. Na maioria das descendências S1, o conteúdo de cada a.a. aumentou relativamente ao controlo. Os mais abundantes foram o ácido glutâmico + glutamina, prolina e glicina. A glucose, o conteúdo de cinza e a proteína bruta (PB) das descendências S1 aumentaram relativamente ao controlo. Contudo, apenas o conteúdo de cinza foi significativamente diferente (p ˂ 0.05) entre o controlo e as restantes descendências. A concentração de sacarose, frutose, rafinose, maltose e amido apresentaram uma diminuição significativa (p ˂ 0.05) num reduzido número de descendências relativamente ao controlo. O conteúdo proteico previamente determinado em farinha integral das sementes S0 foi significativamente (p ˂ 0.05) mais elevado nos tratamentos com 4 mg.L-1 ou 8 mg.L-1 de Fe + Zn. Resultados semelhantes foram encontrados nas suas descendências S1. Os dados bioquímicos revelaram que o nutripriming com Fe e/ou Zn terá melhorado o valor nutricional e a tolerância ao stress nas sementes e plantas S0, e que estas vantagens foram transmitidas à descendência S1 não-tratada. Sementes S0 tratadas com 4 mg.L-1 e/ou 8 mg.L-1 de Fe e/ou Zn apresentaram tempos médios de germinação (TM) longos e elevadas frequências de anomalias no ciclo celular. Contudo, as respetivas descendências S1 apresentaram uma taxa de germinação superior, menores valores de TM, e índice mitótico (IM) superior à S0. Embora na S1 se tenham observado percentagens de células em divisão com anomalias (%CDA) superiores às da S0, revelando a transmissão de uma memória de stress, o número de anomalias foi mais reduzido. Globalmente, os dados de germinação e citogenéticos da S1 sugeriram uma atenuação da citotoxicidade detetada na S0. Adicionalmente, as plantas S1 ultrapassaram as médias relativas a sete componentes relacionados com o rendimento previamente caracterizados nas plantas S0. As caracterizações realizadas neste trabalho evidenciaram a transmissão da S0 para a S1 de uma memória de stress relacionada com a citotoxicidade, embora atenuada, e de benefícios ao nível bioquímico, de germinação, mitótico e de rendimento. Este trabalho demonstrou que não é necessário repetir o priming de sementes em cada geração, tornando este método de biofortificação ainda mais económico.
Description: Dissertação de Mestrado em Genética Molecular Comparativa e Tecnológica
URI: http://hdl.handle.net/10348/9980
Document Type: Master Thesis
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TD - Dissertações de Mestrado

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