Lignificação vegetal : do pré tratamento à resistência a doenças, estratégias e implicações para tecnologias agrícolas sustentáveis

Abstract

RESUMO: A agricultura desempenha um papel crucial na sustentabilidade e na segurança alimentar do nosso planeta. No entanto, as culturas agrícolas enfrentam desafios cada vez maiores, como a otimização no uso de recursos lignocelulósicos, e estratégias para o combate à doenças causadas por patógenos, como fungos. A gestão eficaz desses recursos é essencial para garantir a produção de energia e de alimentos de qualidade em um mundo em constante crescimento. Nesse contexto, a pesquisa agrícola tem buscado constantemente inovações para otimizar o uso de resíduos agrícolas, além de fortalecer a resistência das plantas a patógenos. A presente tese se concentra em um conjunto de estratégias inovadoras e promissoras para abordar esse desafio. Ela está organizada em três capítulos, abordando aspectos fundamentais no aprimoramento dessas tecnologias agrícolas. O Capítulo 1 investiga o pré-tratamento de plantas com ácidos dicarboxílicos. Este é um passo pioneiro que visa buscar comparações com um clássico pré-tratamento que utiliza ácido sulfúrico. A pesquisa detalha o uso de ácidos dicarboxílicos e seus efeitos e alterações estruturais na parece celular, no bagaço de plantas de cana de açúcar. Os resultados revelam a eficácia dessa abordagem e destacam suas implicações na promoção do uso sustentável da biomassa lignocelulósica. No Capítulo 2, o foco se desloca para a promoção da lignificação, um mecanismo natural de defesa nas plantas. A pesquisa se concentra no uso do promotor de lignificação, o ácido 4-metoxicinâmico (p-MCA) e seu potencial para aumentar o teor de lignina nas plantas. A lignina desempenha um papel crítico na resistência das plantas a patógenos e estresses. Este capítulo examina a eficácia da lignificação na performance geral de plantas de feijão em condições de campo. O Capítulo 3 aprofunda ainda mais sobre a eficácia da lignificação, avaliando seus efeitos protetores contra doenças fúngicas. O estudo centra-se na resposta das plantas ao patógeno C. cassiicola e explora a resistência à infecção, atividade enzimática (PAL e CHI), conteúdo de lignina e índice SPAD. Os resultados deste capítulo fornecem uma visão abrangente dos benefícios do p-MCA no fortalecimento da defesa das plantas contra patógenos fúngicos. OBJETIVOS - O presente trabalho teve como objetivo analisar a eficácia de pré-tratamento de bagaço de cana com ácidos dicarboxilicos, além das respostas de plantas de feijão e soja que receberam aplicações de um promotor de lignificação. Contribuindo nas pesquisas sobre produção de bioetanol celulósico, bem como o desenvolvimento de novas práticas agrícolas. MÉTODOS - Neste trabalho o bagaço de cana foi coletado com comerciantes locais, e as plantas colhidas em Marialva - PR. As plantas de feijão foram cultivadas em campo, no município de Mamborê - PR, e foram submetidas a aplicações do promotor de lignificação, e posteriormente colhidas para análise ao final do ciclo. As plantas de soja (cv. IPRO 2606) foram cultivadas em casa de vegetação, receberam a aplicação do promotor, e posteriormente foram inoculadas com C. cassiicola. Os sintomas da doença foram acompanhados, juntamente com algumas análises bioquímicas. As amostras do bagaço de cana foram secas, e moídas em moinho faca, e posteriormente em moinho bola. Foram testados os seguintes ácidos: maleico; cítrico; o-ftálico; oxálico e succínico, em comparação com um pré-tratamento clássico com ácido sulfúrico. Foram quantificados lignina, e sua composição monomérica, e furfurais formados durante o pré-tratamento. Após essa etapa as amostras pré-tratadas foram submetidas a reação de sacarificação com coquetel enzimático celulósico. As plantas de feijão foram secas após a colheita, e trituradas em moinho faca e posteriormente em moinho bola. Parâmetros biométricos foram avaliados, além dos parâmetros de produtividade. Os caules, as vagens e os tegumentos tiveram a quantidade total de lignina auferida, assim como sua composição monomérica. Os três tecidos foram preparados e submetidos à sacarificação enzimática com coquetel celulósico. Para avaliar os possíveis efeitos protetores do promotor de lignificação, as plantas de soja foram acompanhadas diariamente após o inócuo da doença. Ao final do experimento os parâmetros biométricos foram analisados. O oitavo trifólio de cada planta foi coletado para análises bioquímicas, como proteínas totais, e as atividades da PAL e CHI. As plantas foram secas e trituradas e, posteriormente suas folhas e caules tiveram lignina quantificada, e foram digeridas com coquetel enzimático celulósico, visando encontrar relações benéficas do tratamento com aspectos de tolerância à mancha-alvo. RESULTADOS E DISCUSSÃO - Esta parte se divide em três subseções, cada uma correspondendo a cada capítulo. Capítulo 1: Pré-Tratamento com Ácidos Dicarboxílicos - Os resultados deste capítulo revelam a eficácia do pré-tratamento com ácidos dicarboxílicos quando comparados com o pré-tratamento com ácido sulfúrico. Ao final da curva de sacarificação (48h), a mistura (1:1) de ácido succínico com oxálico não apresentou diferença estatística significativa (680 mg g -1 versus 600 mg g -1 do H 2 SO 4 ); o ácido cítrico apresentou valores semelhantes (657 mg g -1 ). As concentrações de furfurais formadas pelo ácido cítrico foram menores que as formadas pelo ácido sulfúrico. Capítulo 2: Promotor de Lignificação - Este capítulo explora a promoção de lignificação como uma estratégia para melhorar o desempenho de plantas em condições de campo. A pesquisa destaca o uso do promotor de lignificação e sua capacidade de aumentar o teor de lignina nas plantas. A distância intermodal foi reduzida enquanto um aumento de lignina ocorreu nos tecidos analisados (tegumento, caules e vagens). O tratamento que recebeu três doses de 5 mM, aumentou a lignina e reduziu a sacarificação em todos os tecidos (aproximadamente 20%). Os resultados e análises indicam potenciais efeitos da lignificação na resistência de plantas. Capítulo 3: Efeitos Protetores contra Doenças Fúngicas - Este capítulo se concentra na resposta das plantas ao patógeno C. cassiicola e avalia a resistência à infecção, atividade enzimática, conteúdo de lignina e índice SPAD. Ambos os tratamentos (promotor e fungicida) aumentaram o conteúdo total de lignina, melhorando o suporte estrutura e a resistência contra patógenos. A atividade da PAL aumentou significativamente nas plantas tratadas, enquanto a atividade de CHI não demonstrou variação significativa. Por outro lado, o índice SPAD apresentou teor elevado de clorofila mesmo após a infecção, tanto nas plantas tratadas com o promotor quanto as que receberam o fungicida. Os resultados fornecem informações valiosas sobre o papel do p-MCA na defesa das plantas contra patógenos fúngicos. CONCLUSÃO - Os resultados demonstram que ambas o pré-tratamento com ácidos dicarboxílicos e a promoção de lignificação, têm o potencial de melhorar significativamente o uso de recursos da biomassa, além da resistência das plantas às doenças. Estas abordagens oferecem alternativas ecologicamente sustentáveis aos métodos tradicionais de pré-tratamento e de controle de patógenos. Indicando que a combinação de abordagens pode oferecer soluções sustentáveis para o controle de patógenos. Este trabalho contribui para o crescente corpo de conhecimento em pesquisa agrícola e visa promover práticas rurais mais sustentáveis.

ABSTRACT: Agriculture plays a crucial role in our planet the sustainability and food security. However, agricultural crops are facing increasing challenges such as optimizing the use of lignocellulosic resources and strategies to combat diseases caused by pathogens, such as fungi. Effective management of these resources is essential to ensure the production of high-quality energy and food in a constantly growing world. In this context, agricultural research has constantly sought innovations to optimize the use of agricultural residues and strengthen plant resistance to pathogens. This thesis focuses on a set of innovative and promising strategies to address this challenge. It is organized into three chapters, addressing fundamental aspects in the enhancement of these agricultural technologies. Chapter 1 investigates the pretreatment of plants with dicarboxylic acids. This pioneering step seeks to draw comparisons with a classic pretreatment that uses sulfuric acid. The research details the use of dicarboxylic acids and their effects and structural changes in the cell wall of sugarcane plants. The results reveal the effectiveness of this approach and highlight its implications in promoting the sustainable use of lignocellulosic biomass. Chapter 2 shifts the focus to the promotion of lignification, a natural defense mechanism in plants. The research focuses on the use of the lignin promoter 4-methoxycinnamic acid (p-MCA) and its potential to increase lignin concentration in plants. Lignin plays a critical role in plant resistance to pathogens and stresses. This chapter examines the effectiveness of lignification in the overall performance of bean plants under field conditions. Chapter 3 delves even deeper into the effectiveness of lignification, evaluating its protective effects against fungal diseases. The study focuses on the plant's response to the pathogen C. cassiicola and explores resistance to infection, enzymatic activity (PAL and CHI), lignin content, and the SPAD index. The results of this chapter provide a comprehensive view of the benefits of p-MCA in strengthening plant defense against fungal pathogens. OBJECTIVES - This study aimed to assess the effectiveness of pretreating sugarcane bagasse with dicarboxylic acids and the responses of bean and soybean plants that received applications of a lignification promoter. It contributes to research on cellulosic bioethanol production and the developing of new agricultural practices. METHODS - Sugarcane bagasse was collected from local vendors, while bean plants were grown in Mamborê, PR, and received lignification promoter applications. They were harvested for analysis at the end of the growth cycle. Soybean plants (IPRO 2606) were cultivated in a greenhouse, received the lignification promoter, and were later inoculated with C. cassiicola. Disease symptoms were monitored along with various biochemical analyses. Sugarcane bagasse samples were dried, ground using a knife mill and a ball mill, and pretreated with maleic, citric, o-phthalic, oxalic, and succinic acids. Lignin content, its monomeric composition, and furfural formation during pretreatment were quantified. The pretreated samples were then subjected to saccharification with a cellulose enzyme cocktail. Bean plants were dried after harvest, ground using a knife mill and a ball mill, and assessed for biometric parameters and productivity. The stems, pods, and seed coats were analyzed for total lignin content and its monomeric composition, followed by enzymatic saccharification with a cellulose cocktail. To evaluate the potential protective effects of the lignification promoter, soybean plants were monitored daily after disease inoculation. Their biometric parameters were analyzed at the end of the experiment. The eighth trifoliate leaf of each plant was collected for biochemical analyses, including total proteins, PAL, and CHI activity. The plants were dried, ground, and had their lignin content quantified before being digested with a cellulose enzyme cocktail to identify beneficial relationships between treatment and resistance to target spot disease. RESULTS AND DISCUSSION - This section is divided into three subsections, each corresponding to one of the chapters. Chapter 1: Dicarboxylic Acid Pretreatment - The results of this chapter reveal the effectiveness of dicarboxylic acid pretreatment compared to sulfuric acid pretreatment. At the end of the saccharification curve (48 hours), the 1:1 mixture of succinic and oxalic acid showed no statistically significant difference compared to H2SO4 (680 mg g -1 versus 600 mg g -1 ). Citric acid presented similar values (657 mg g -1 ). The furfural concentrations of citric acid were lower than those of sulphuric acid. Chapter 2: Lignification Promoter - This chapter explores the promotion of lignification as a strategy to improve plant performance under field conditions. The research emphasizes the use of the lignin promoter and its ability to increase lignin concentration in plants. There was a reduction in intermodal distance, an increase in lignin in all three analyzed tissues (seed coats, stems, and pods). The treatment that received three doses increased lignin and reduced saccharification in all tissues (approximately 20%). The results and analyses indicate the potential effects of lignification on plant resistance. Chapter 3: Protective Effects Against Fungal Diseases - This chapter focuses on the plant's response to the C. cassiicola pathogen and evaluates resistance to infection, enzymatic activity, lignin content, and the SPAD index. Both treatments (promoter and fungicide) increased the total lignin content, improving structural support and resistance to pathogens. PAL activity significantly increased in treated plants, while CHI activity did not vary significantly. Furthermore, the SPAD index displayed a high chlorophyll content even after infection, in both promoter-treated and fungicide-treated plants. The results provide valuable insights into the role of p-MCA in plant defense against fungal pathogens. CONCLUSION - The results demonstrate that both strategies have the potential to improve the use of biomass resources and plant resistance to diseases. Offering ecologically sustainable alternatives to traditional pretreatment and pathogen control methods. Indicting that the combination of approaches can offer sustainable solutions for pathogen control. This work contributes to the growing body of knowledge in agricultural research and aims towards sustainability.