Effects of light on plant growth and development and its spectral signature contribution to leaf optical properties

Abstract

RESUMIO: Entre os fatores ambientais a luz exerce papel fundamental no crescimento e desenvolvimento das plantas. As vias de sinalização do crescimento e diferenciação celular, cross talk com metabolismo hormonal, up e down-regulation em genes específicos que modulam, dentre outras modificações, em nível celular e molecular até o fenótipo das plantas, são intrínsecos dessa fonte de energia, fundamental para os processos bioquímicos e fisiológicos vegetais. Diante do breve exposto, demonstramos aqui, em nossa linha de pesquisa, as contribuições da luz na cascata de sinalização das plantas e interação do espectro eletromagnético. Os trabalhos aqui apresentados, demonstram parte das pesquisas desenvolvidas com ênfase nos efeitos da luz na regulação do crescimento e desenvolvimento das plantas e sobre as alterações das propriedades ópticas foliares. Integrando diferentes métodos de biologia celular e molecular, técnicas de microscopia de luz, fluorescência e eletrônica de varredura e transmissão, dentre outras abordagens multi-disciplinares, essa tese foi subdividida em três capítulos, em formato de artigos científicos publicados em revistas peer-review. O Capítulo I "Increased Gibberellins and Light Levels Promotes Cell Wall Thickness and Enhance Lignin Deposition in Xylem Fibers" publicado na Frontiers in Plant Science, fator de impacto 4.106 (JCR-2019) e Qualis-Capes A1, demonstramos como a sinalização decorrentes da variação da intensidade luminosa e disponibilidade de ácido giberelico (GA3), em promover alterações na espessura e deposição de lignina nas paredes das fibras do xilema em plantas de tabaco. Além disso, detectada a existência de um mecanismo de resposta exclusivo à luz, que as GAs não conseguem substituir. O Capítulo II "Cell wall structure and composition is affectedby light quality in tomato seedlings" publicado na Journal of Photochemistry and Photobiology: B-Biology, fator de impacto 4.067 (JCR-2019) e Qualis-Capes A1, evidenciamos alterações promovidas na estrutura e composição da parede celular, em hipocótilos de tomate crescidos em diferentes qualidades de luz. Alterações substanciais da reorganização da parede celular primária, das microfibrilas de celulose e na cascata de sinalização hormonal regulados pela qualidade da luz. Demonstramos uma profusa rede regulatória, envolvendo qualidade de luz e hormônios, sobre as microfibrilas de celulose. O Capítulo III "High resolution leaf spectral signature as a tool for foliar pigment estimation displaying potential for species differentiation" publicado na Journal of Plant Physiology, fator de impacto 2.825 (JCR-2019) e Qualis-Capes A1, analisamos, propomos e discutimos como variações de classes e conteúdo de diferentes pigmentos foliares, bem como componentes estruturais e ultraestruturais, promovem alterações substanciais da interação da luz no perfil óptico foliar. Concluímos que a interação de luz com os pigmentos e estruturas foliares, se mostram um recurso valioso no estudos das plantas.

ABSTRACT: Among environmental factors, light plays a vital role in plant growth and development. Cell growth and development signaling pathways, crosstalk with hormonal metabolism and up and down-regulation in specific genes that modulate, among other changes, from the cellular and molecular level to the plant phenotype, are intrinsic to this energy source, essential for biochemistry and physiology plant processes. In this context, we demonstrate light contributions to plant cascade signaling and interaction with the electromagnetic light spectrum in our line of research. The investigation presented herein demonstrates part of the research developed with emphasis on the effects of light on plant growth and development regulation and on leaf optical property alterations. Integrating different cellular and molecular biology methods and light microscopy, fluorescence and scanning and transmission electron microscopy techniques, among other multi-disciplinary approaches, this thesis was subdivided into three chapters, in the form of scientific articles published in peer-review journals. In Chapter I "Increased Gibberellins and Light Levels Promotes Cell Wall Thickness and Enhance Lignin Deposition in Xylem Fibers", published in Frontiers in Plant Science, impact factor 4.106 (JCR-2019) and Qualis-Capes A1, we demonstrate how the signaling arising from luminous intensity variation and gibberellic acid (GA3) availability promotes changes in lignin thickness and deposition in the xylem fiber walls of tobacco plants. In addition, the existence of an exclusive response mechanism to light, which the GAs are unable to replace, has been detected. In Chapter II "Cell wall structure and composition is affected by light quality in tomato Seedlings", published in the Journal of Photochemistry and Photobiology: B-Biology, impact factor 4.067 (JCR-2019) and Qualis-Capes A1, we highlight changes promoted in cell wall structure and composition in tomato hypocotyls grown under different light qualities. Substantial alterations in primary cell wall reorganization, the cellulose microfibrils and in the light-regulated hormonal signaling cascade were observed. We demonstrate a profuse regulatory network, involving quality of light and hormones, on cellulose microfibrils. In Chapter III "High resolution leaf spectral signature as a tool for foliar pigment estimation displaying potential for species differentiation, published in the Journal of Plant Physiology, impact factor 2.825 (JCR-2019) and Qualis-Capes A1, we analyse, propose and discuss how variations in different leaf pigment classes and content, as well as structural and ultrastructural components, promote substantial changes between light interactions and leaf optical profiles. We conclude that the interaction of light with pigments and leaf structures is a valuable resource in plant studies.