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No ambiente, as plantas estão sujeitas a diversas intempéries que podem ocasionar a diminuição da produtividade agrícola. A salinidade é um dos desafios ambientais mais expressivos nessa limitação afetando, hoje, cerca de 800 milhões de ha de terras aráveis mundialmente (Acosta-Motos et al., 2017). O processo de salinização caracteriza-se pelo acúmulo de elevadas quantidades de sais solúveis, que incluem cátions como Na+, Ca2+, Mg2+, K+ e ânions como Cl-, SO42-, HCO3-, CO32- e NO3-. Estes elementos contribuem para a formação de sais especialmente nocivos para as plantas, tais como cloretos, sulfatos de sódio e magnésio, os quais destacam-se pela sua alta solubilidade. O NaCl, por ser um sal muito solúvel e amplamente presente no solo, é frequentemente o principal objeto de estudo nas pesquisas, já que o seu excesso pode provocar impactos adversos consideráveis na agricultura (Munns; Tester, 2008). Conforme definição, um solo é classificado como salino quando apresenta as seguintes características: condutividade elétrica (ECe) de 4 dS m-1, porcentagem de sódio trocável (PST) inferior a 15% e pH inferior a 8,5 (Guler et al., 2014).
A salinidade se desenvolve normalmente em regiões áridas e semiáridas devido ao manejo inadequado de adubação do solo, má distribuição de chuvas e má drenagem, juntamente com o processo de formação geológica predominante da região (Pedrotti et al., 2015). No Rio Grande do Sul, principalmente na região Sul do estado, o problema da salinidade se dá principalmente em consequência do sistema de inundação de arrozais, que quando mal drenado, conduz à salinização das áreas. Além disso, a utilização da água de rios litorâneos na irrigação, como a Laguna dos Patos, que estão sujeitos a salinização devido à entrada de água do mar, em algumas épocas, também são fontes de salinização (Fraga et al., 2010).
O efeito da salinidade nas culturas pode variar de acordo com diversos fatores relacionados ao ambiente, como condições climáticas e de solo, e até mesmo à espécie vegetal. Baseado na capacidade das plantas em tolerar ambientes salinos, as plantas são classificadas em dois grupos, as halófitas e as glicófitas, as quais respondem de maneira diferente à condição de salinidade em relação aos processos morfológicos, fisiológicos e bioquímicos. Espécies halófitas normalmente crescem, se desenvolvem e completam seu ciclo mesmo em ambientes com altas concentrações salinas, algumas delas por conseguirem suportar altas concentrações salinas, outras por desenvolverem mecanismos adaptativos de exclusão do sal. Ao contrário, as plantas glicófitas, grupo no qual estão inseridas a maior parte das plantas cultivadas, incluindo o arroz (Oriza sativa L.), são mais sensíveis à salinidade, podendo esse excesso de sais produzir estresse iônico, estresse osmótico e estresses secundários (Tang et al., 2015; Jalili et al., 2020; Hamed et al., 2021;).
O arroz é cultivado mundialmente, estando presente em 114 dos 193 países e nas seguintes regiões do globo: África, Ásia, Austrália, América do Norte, América Latina e Europa, ocupando uma área de 163 milhões de hectares (Hoang et al., 2016; Embrapa, 2023). Devido a sua riqueza nutricional ele compõe a alimentação básica de mais da metade da população sendo que na Ásia por exemplo, de 60% a 70% do consumo calórico de mais de 2 bilhões de pessoas é proveniente do arroz e seus subprodutos (Conab, 2015). Porém, é um cereal bastante sensível ao sal, assim como a outras condições abióticas desfavoráveis como a seca, déficit hídrico e temperaturas extremas que, em conjunto, são extremamente desfavoráveis ao seu rendimento (Munns; Tester, 2008).
Na natureza, os processos biológicos, bem como as respostas das plantas a condições estressantes variam espaço-temporalmente. Em espécies de gramíneas, como é o caso do arroz, o desenvolvimento ontogenético exibe uma variação espaço-temporal notável. Observa-se que as partes inferiores (folhas mais velhas) e as porções apicais das folhas passam por um processo progressivo de envelhecimento. Desta forma, o fenômeno de senescência ocorre de forma coordenada começando na ponta e margens da folha em direção à base e pecíolo e de baixo para cima no eixo da planta como um todo (Sousa et al., 2021). Esse padrão é particularmente evidente no final da fase vegetativa e no início do
desenvolvimento reprodutivo, podendo ser acelerado sob condições ambientais desfavoráveis (Sousa et al., 2021).
A capacidade de uma planta responder a mudanças ambientais é geneticamente determinada. No entanto, a manifestação dessa capacidade, chamada de plasticidade fenotípica, não é uniforme em toda a planta. Em vez disso, varia consideravelmente entre os diferentes módulos que a constituem, sendo influenciada pelas condições específicas de cada microambiente (Kroon et al., 2005). Estes módulos são subunidades estruturais e funcionais repetidas, que operam muitas vezes de maneira semi-independente ou totalmente independente umas das outras e que são produzidas durante o desenvolvimento ontogenético da planta (White, 1979; Preston; Ackerly, 2004; Lüttge, 2021). Um indivíduo de uma planta pode ser visto como uma coleção de unidades modulares, que são organizadas de forma hierárquica, e que possuem um ciclo próprio, onde cada módulo nasce, amadurece, envelhece e morre. O ciclo e a história de vida dos módulos podem, muitas vezes, ser independentes do desenvolvimento da planta inteira e, geralmente, ocorrem em escalas de tempo menores do que a progressão ontogenética da planta inteira (Preston; Ackerly, 2004; Kroon et al., 2005; Lüttge, 2021). A modularidade é um conceito chave em todos os níveis de organização biológica, desde o molecular até o ecossistêmico. No nível macroscópico, módulos como caules, galhos, folhas e raízes ilustram essa ideia, enquanto no nível molecular, proteínas individuais servem como módulos que compõem o proteoma. As interações entre estas proteínas, quantificáveis matematicamente, promovem a auto-organização e o surgimento de sistemas enzimáticos complexos, como as ATPases e a ribulose-bifosfato carboxilase-oxigenase. Esta hierarquia modular se estende das partículas atômicas até a biosfera, ou Gaia, revelando uma impressionante escala de complexidade emergente que abrange várias ordens de magnitude, tanto espaciais quanto temporais (Wegner, 2019; Wegner; Hao, 2020). Em organismos modulares, não apenas o crescimento e o desenvolvimento, mas também as mudanças induzidas pelo ambiente na expressão de características, ou seja, na plasticidade fenotípica, ocorrem no nível dos módulos (Kroon et al., 2005). Além disso, dependendo do estádio de desenvolvimento, os mesmos sinais ambientais podem desencadear respostas quantitativa e qualitativamente diferentes em cada módulo. Este fenômeno, denominado “contingência ontogenética” por Diggle (1994), foi ignorado durante muito tempo, mas, posteriormente foi implementado explicitamente em modelos conceituais sobre plasticidade fenotípica (Watson et al., 1995). O reconhecimento da natureza modular da plasticidade tem importantes consequências fisiológicas, ecológicas e evolutivas, bem como implicações para a natureza das restrições que operam na expressão da plasticidade (Kroon et al., 2005). As variações em organismos modulares ocorrem em função da variação espaço-temporal de fatores ambientais como disponibilidade de luz, nutrientes e água, e demonstram a complexidade organizacional dos módulos. Logo, na natureza, a plasticidade fenotípica das plantas como um todo, é uma soma de diversas respostas induzidas pelo ambiente, localizadas em diversos locais das plantas, somada às interações comportamentais entre os módulos (Kroon et al., 2005; Lüttge, 2021).
Atualmente, o espaço e o tempo e particularmente os seus efeitos interativos, são as limitações mais importantes em investigações na biologia vegetal. Novas abordagens que tentem minimizar estas limitações são essenciais. E o desenvolvimento contínuo de novos avanços tecnológicos que ligam o espaço e o tempo utilizando dados integrativos e escaláveis irá, sem dúvida, mudar a nossa compreensão atual da vida vegetal nas próximas décadas se dermos ao conceito de espaço-tempo a importância que ele merece (Munné-Bosch, 2021). Uma abordagem integrativa só é possível em estudos que considerem a alta variabilidade entre espécies vegetais (variabilidade interespecífica) e entre indivíduos (variabilidade intraespecífica), bem como variações entre diferentes órgãos, e até mesmo entre partes do mesmo órgão (Munné-Bosch, 2021). Incluir aspectos evolutivos, processos de sucessão comunitária, estádios de desenvolvimento das plantas, fases de desenvolvimento de órgãos, tecidos ou células (idade) ou processos metabólicos (dependendo da escala de estudo) ajudam a compreender melhor os eventos relacionados à escala de tempo (Clarck et al., 2011; Damgaard, 2019; Munné-Bosch, 2021). No entanto, os principais eventos fisiológicos são analisados de forma fragmentada, reducionista e simplista em pontos fixos no espaço e
tempo, subestimando a dinâmica espaço-temporal do metabolismo das plantas. A idade e a posição dos módulos são um ótimo exemplo de como o espaço (posição) e o tempo (idade) afetam as respostas às diferentes condições ambientais das plantas.
Cientes do impacto da salinidade nos cultivos agrícolas, em especial na cultura do arroz, sendo este um alimento essencial em diversas partes do mundo, torna-se essencial compreender os efeitos da salinidade sobre a cultura, levando em consideração a heterogeneidade espaço-temporal destas respostas dentro das plantas e ao longo dos estádios fenológicos da cultura.

Este projeto será conduzido por meio de dois experimentos principais, ambos utilizando a cultivar de arroz IRGA 424 (Oryza sativa L. spp. indica), visando investigar a resposta das plantas ao estresse salino de forma integrada e com enfoque na variabilidade espacial e temporal dessas respostas.

Experimento 1: Salinidade prolongada ao longo dos módulos da planta e do ciclo fenológico

As sementes de arroz serão germinadas em condições controladas e, após a germinação, as plântulas serão transferidas para vasos contendo solução nutritiva de Hoagland. No estádio V5, metade das plantas será mantida em condição controle e a outra metade receberá salinidade moderada (50 mM NaCl). As coletas serão realizadas nos estádios V7, R3 e R7-R8. Para análise da variabilidade espacial, serão coletadas regiões apicais e basais de quatro tipos de folhas (mais velha, jovem, intermediária e bandeira), além de raízes. As variáveis analisadas incluirão crescimento, bioquímica, teores de sódio e potássio, além de perfil metabolômico. O delineamento será inteiramente casualizado em esquema fatorial 2 x 4 x 2 x 3.

Experimento 2: Heterogeneidade espacial das respostas no estádio reprodutivo

Plantas serão cultivadas até o estádio R3 e, então, submetidas a estresse salino agudo (150 mM NaCl) fracionado em três aplicações. Serão feitas duas coletas: após sete dias de estresse e no estádio R7-R8. A análise incluirá os mesmos pontos amostrais e variáveis do Experimento 1, com delineamento fatorial 2 x 4 x 2 x 2.

Conjunto de análises realizadas

Crescimento: Comprimento da parte aérea e raiz, massas fresca e seca.

Fisiologia: Eficiência do uso da água (EUA), trocas gasosas (IRGA), porometria (LI-600), conteúdo relativo de água (CRA).

Bioquímica: Espécies reativas de oxigênio (EROS), peroxidação lipídica (MDA), carboidratos (AST, sacarose, amido), aminoácidos e prolina.

Teores de íons: Concentrações de Na+ e K+ em parte aérea e raízes.

Metabolômica: Perfil de metabólitos obtido por GC-MS, com análise qualitativa e quantitativa baseada em banco de dados.

Análise estatística

Os dados serão submetidos à análise de variância (ANOVA) e ao teste de Tukey (p≤0,05) para comparação de médias. Também serão aplicadas análises multivariadas como PCA para explorar a estrutura dos dados e identificar os principais fatores associados à resposta das plantas.

Espera-se, a partir da execução deste projeto e com os resultados obtidos:

Alcançar uma maior compreensão, sobre a dinâmica das respostas das plantas frente a condições salina no espaço e no tempo. De forma a compreender quais os melhores momentos para estudo de determinados processos biológicos dentro das plantas;

Contribuir para o conhecimento da fisiologia do estresse salino visto que existem poucos estudos atualmente que abordam essa temática de forma integrada e sistêmica, levando em consideração as variações espaço-temporais nesses processos biológicos;

Formação e capacitação de recursos humanos através da elaboração de relatórios de iniciação científica e tese de doutorado, dos alunos envolvidos nesta proposta de trabalho;

Fortalecimento de parcerias já estabelecidas entre os Programas de Pós-Graduação em Fisiologia Vegetal, bem como estabelecer novas parcerias com outras instituições de ensino e pesquisa;