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Carlos Alberto Martinez
CO2
°TLeguminosas (C3)
Gramíneas (C4)
CH4
N2O°CO2
Mudanças climáticas e seus efeitos sobre forrageiras
~50% da área agrícola Brasil ocupada por forrageiras.
~160 milhões de has. dedicadas a pastagens para bovinocultura de carne e
leite.
No Brasil, 90% dos nutrientes dos animais são proporcionados pelo pasto.
Brasil maior produtor e exportador de carne bovina produzida de forma
extensiva.
>N2O? N2O>CH4? CH4
Pecuária intensiva >Mais adubo
CO2
Fixação do
carbono
Respiração diurna
e noturna
CO2
N2O
Emissão de GHGs
Absorção de
água
H2OTranspiração
Absorção de
nutrientes
O2
H2O
Fotossíntese
Plants impact climate through carbon exchange, water transpiration,GHGs emissions
TEMPERATURA
Adubação (N)CH4CO2
Gene Expression Profiling and metabolomic studies
Biochemical studies
Physiological studies
Whole Plant growth and productivity
Quality of forages Biotic interactions(bacteria, insects)
SIMULATED CLIMATE CHANGE: SCENARIO B1 Impact of elevated CO2 (600 ppm) and temperature (+2°C)
Panicum maximum (gramínea C4)
Stylosanthes capitata (leguminosa, C3)
Implementation of a miniFACE technology as a model to research the effects of CO2 increment and warming in tropical plants under field conditions in Brazil.
The appointment of national and international partners as part of this project will lead the establishment of an international research collaborative network on global change in tropical plants
Provide quantitative information on the impacts of elevated CO2 and warming on the performance of grass and leguminous grown in tropics.
Improve prediction of physiological, biochemical, molecular, growth and yield responses of contrasting tropical species to elevated CO2 and warming in a simulate climate change scenario.
Organize an International Workshop on Impacts of Global Climate Change on Agriculture and Livestock.
Training of human resources for research the effects of global climate change in plants.
Prof. Carlos Alberto Martinez
USP-RP-Brazil (Coordination)
(Physiology and biochemistry)
Prof. Milton Groppo Jr.
USP-RP-Brazil
Co-PI (Morphology and anatomy)
Profª Elizabeth Ainsworth
University of Illinois Urbana-USA
Co-PI (Molecular studies)
Prof. Sui Mui Tsai (CENA).
GHG and soil microbiota
Prof. Marcia Braga (IBt)
Carbohydrates
Prof. Miquel Gonzáles-Meler
University of Illinois Chicago-USA
Co-PI (Carbon and nitrogen - isotopes )
Prof. Carlos Prado
Univ. Federal de São Carlos
AR (Morphology and growth)
Prof. Franco Miglietta
CNR-IBIMET Firenze- Itália
Collab. (FACE system)
Prof. Bruce Kimball
Agricultural Research Service,
USDA, USA (Collab. T-FACE)
Prof. Kevin GriffinLamont-Doherty Earth Observatory
University of Columbia, USA
Collab. Photosynthesis & Respiration
Drs. Alessandro Zaldei e Damiano Gianelle
CNR-IBIMET Firenze- Itália
Collab. FACE system
EQUIPE
Entomologia
Prof. Carlos Garófalo (USP, RP)
Prof. Odair Fernandes (UNESP, Jaboticabal)
Análise de Crescimento de Raízes
Dr. Roberto Branco (IAC/RP)
Fitopatologia
Prof. Waldir Cintra (UFSCar/SP)
Nutrição Mineral
Prof. Renato Prado (UNESP, Jaboticabal)
Biologia Molecular
Dra. Silvana Creste (IAC/RP)
Genética
Profª Ana Lilia Alzate Marin (USP/RP)
e alunos de PG
Empréstimo de Instrumentos
Prof. Newton La Scala Jr. (UNESP, Jaboticabal)
Prof. Jean Ometto (INPE)
Prof. Emerson da Silva (Ibot/SP)
Bioquímica
Prof. Sergi Munne-Bosch (Universidadde Barcelona-Espanha)
Trocas gasosas e Ecossistemas
Prof. Tomas Domingues (USP/RP)
Anatomia
Profª Simone de Pádua (USP/RP)
Microscopia eletrônica
FMRP
COLABORADORES
National and International Collaborations
Alunos de Graduação e Pós-Graduação
eC + eT
CO2 tank + CO2 evaporator
Master Electrical Box
TROP-T- FACE BRAZIL75 KVA triphasic Transformer
Electric current meter
T-FACE control
computers
Plot electric control panel
Electric wires
Elevated CO2 (eC)
Elevated T° (eT)
Control (C)
IR Apogge thermometer
IR Heater
Container for control and monitoring
FACE control
Gas regulator
TROP-T/FACE AT USP/RP
Datalogger CR1000 + AM 16/32+ NL200
A B
C D
Network
Pure CO2 flux
CO2 concentration monitoring
Win speed
Regulated CO2 flux
Control computer in container
Eth
ern
et c
on
nec
tio
n
Static chamber
E
miniFACE (free-air carbon dioxide enrichment)
Na fase vegetativa, e sob adequadas
condições hídricas e nutricionais responde
positivamente ao incremento de 2ºC na
temperatura
A resposta está associada à maior eficiência
de sua capacidade fotossintética
Δ 16%
Δ 32%
No entanto, na fase reprodutiva, o
aquecimento estimula uma maior produção
de flores.
O elevado CO2 estimula a fotossíntese com
efeito sinergético do aquecimento.
Parameter Control Elevated CO2 Elevatedtemperature
Elevated CO2+ Elevated
Temperature
Dry Mass Leaves 1,19 3,65 3,21 2,79
Dry Mass stems 4,76 12,7 12,4 9,97
Dry Mass Flowers6,89 13,31 23,1 14,57
Total Dry Mass 12,84 29,72 38,74 27,34
Leaf Partitioning 9,05 12,5 8,61 10,14
Stem partitioning 38,86 42,86 31,27 37,24
Flower Partitioning 52,05 44,63 60,1 52,61
Leaf/stem ratio 0,24 0,28 0,27 0,27
Flower/Stem ratio 1,38 1,06 2 1,44
Leaf+Flower/Stem ratio 1,63 1,35 2,28 1,71
HEAT MAP TABLE OF EFFECTS OF ELEVATED CO2 AND WARMING ON Stylosanthes capitata
LOW HIGH
Photosynthesis 17,8 31,2 25 36,96
O Incremento da temperatura em 2ºC incrementa
a fotossíntese em 14% com aumento líquido da
biomassa total (40%)
O elevado CO2 estimula a fotossíntese em 22%,
no entanto, ocorre maior partição da biomassa
para caules e raízes em detrimento das folhas
(queda da relação folha/colmo)
PARAMETER TREATMENT
CARBON EXCHANGE CONTROL ELEVATED CO2
ELEVATEDTEMPERATURE
ELEVATED CO2 + ELEVATED TEMPERATURE
Photosynthesis 25,7 31,5 29,3 35,6
GROWTH
Number of Tillers 408 354 396 458
Dry Matter Leaves 0,554 0,452 0,747 0,858
Dry Matter stems 0,439 0,512 0,76 0,74
Dry Matter Roots 0,054 0,075 0,077 0,089
Total Dry Matter 1,046 1,039 1,49 1,68
PARTITIONING
Leaf Partitioning 0,531 0,434 0,503 0,506
Stem partitioning 0,418 0,492 0,446 0,441
Root Partitioning 0,052 0,074 0,051 0,053
Leaf/stem ratio 1,312 0,886 1,146 1,165
Specific Leaf Area 279,9 285,2 249,2 258,1
FORAGE QUALITY
AD Fibre 31,6 30,98 32,33 32,4
Lignin 2,08 3,22 2,54 2,24
Protein 18,58 17,36 17,79 17,1
HEAT MAP TABLE OF EFFECTS OF ELEVATED CO2 AND WARMING ON Panicum maximum
LOW HIGHLOW HIGHLOW HIGH LOW HIGH
Seções transversais da lâmina foliar de Panicum maximum Jacq. mostrando acúmulo de
amido nas células da bainha . Fonte: Barbosa, 2014
268 386 408 472
22402680
34403998
28402360
3800
4002
Control eC eT eC+eT
Biomassa Panicum maximumroots stems leaves
Dry
mas
s (k
g h
a-1)
+44%
-16%
+33%
+40%
+20%
+53%+78%
5,1 7,2 5 5,2
41,749,4
45 43,9
53,243,4
50 50,9
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Control eC eT eC+eT
roots stems leavesD
rym
ass
(%)
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
Controle eC eT eC+eT
(32% redução em elevado CO2)
O elevado CO2 e a elevada temperatura reduzem
a qualidade nutricional da forrageira
O elevado CO2 estimula maior lignina e menor
proteína na folha
A elevada temperatura incrementa a fibra
(redução da digestibilidade) e reduz a proteína
foliar.
Mitiga o efeito da seca mantendo a umidade do
solo e o potencial de água foliar como
consequência da redução da condutância
estomática e da transpiração.
aa
b
Em elevado CO2: Abertura dos estômatos
Transpiração foliar
Potencial de água foliar
Conteúdo de água no solo
Co
nte
úd
o d
e ág
ua
no
so
lo (
m3
m-3
)
N2ONO3-
NH4+
N2O emission
Denitrification
CO2 emission
CO2 uptake
SOM
Gas exchange measurements
Plant Biomass
Heterotrophicrespiration
AutotrophicRespiration
Isotopic discrimination
Fertilization
CH4 emission
Entericfermentation
Digestibility (in vitro)
Soil emission
SampleChambers
CO2 in
CO2 out
Nitrification
UREA
15
17
19
21
23
25
27
21/4 26/4 1/5 6/5 11/5 16/5 21/5
media control
media eC
media eT
media eT+eC
-0,150
-0,100
-0,050
0,000
0,050
0,100
C-C
H4
(mg
-1m
2h
-1)
50
70
90
110
130
150
170
1 105 127 146 153 160 167
C-C
O2
(mg
-1m
2h
-1)
0
50
100
150
200
250
1 105 127 146 153 160 167
N-N
2O
(µ
g-1
m2
h-1
)
Control
Elevated CO2
Elevated TºC
Elevated CO2+TºC
CH4
N2O
CO2
Warming+CO2
Days After Planting
FERTILIZATION
WITH UREA (60 kg ha-1)
Avaliação da emissão de GHGs: Realizado pela equipe do CENA (Lab. Da Profª
TSAI),
Borges, 2015
Emissions of CH4, CO2 and N2O in Panicum maximum 2015 Experiment
(Urea: 120 kg ha-1).
Borges, 2015
Análise Metagenômica
Borges, 2015
Higher proportion of genes involved in denitrification and nitrosative stress under eT
Análise Funcional
Condition
CO2 flux
(mgC-CO2 m-2 soil h–1)
CH4 flux
(mgC-CH4 m-2 soil h–1)
N2O flux
(mgN-N2O m-2 soil h–1)
GWP†
(Mg CO2-C eq ha-1 y–1)
Control 933.83 ± 86.52 a –0.34 ± 0.10 a 0.40 ± 0.18 b 9.67 ± 4.95 b
Elevado CO2 980.89 ± 201.87 a 0.04 ± 0.31 a 0.52 ± 0.15 ab 13.55 ± 3.60 ab (40%)
Elevada
Temperatura1133.61 ± 181.51 a 0.05 ± 0.30 a 0.63 ± 0.08 a 16.56 ± 2.44 a (71%)
eT+eC 1131.83 ± 173.42 a –0.24 ± 0.32 a 0.62 ± 0.09 a 15.59 ± 2.77 a (61%)
The global warming potential (GWP) was calculated by conversion of the N2O and CH4 emissions into CO2 equivalents
considering the specific radiative forcing potential of 25 for CH4 and 298 for N2O relative to CO2 over a 100-years time
horizon (Forster et al., 2007).
Aumento do Potencial de Aquecimento Global (GWP) dos GHGs
(Borges, 2015)
Millar et al, 2014
Global meta-analysis of the nonlinear
response of soil nitrous oxide (N2O)
emissions to fertilizer nitrogen
Shcherbak et al, 2014
The four main management factors that help reduce N2O
emissions from applied N fertilizer are commonly known as
the 4R’s:
• Right N application rate;
• Right formulation (fertilizer type);
• Right timing of application; and,
• Right placement.
O QUE FAZER?
Transcriptome Analysis
RESULTADOS AREA MOLECULAR (Pesquisa realizada em colaboração com a Profª E. Ainsworth, UIUC, USA)
30 days of treatment 45 days of treatment
Numero de genes mostrando diferença significativa de transcrição em dois períodos de coleta em Panicum maximum
Log2 fold changes of differently expressed genes. These genes were selected because they had significant responses in elevated
temperature, that relate to temperature stress.
Arginine decarboxylase 2Serine protease inhibitor
Stress responsive alpha-beta barrel domainHighly ABA-induced PP2C gene
Maternal effect embryo arrest Highly ABA –induced PP2CHighly ABA –induced PP2C
Embryo defectiveHighly ABA –induced PP2C
GC-MS Metabolite Analysis
Peroxidase superfamily proteinPeroxidase
Chlorophyll A/B binding proteinPhotosystem I subunitPhotosystem I subunit
Aminophospholipid ATPaseDehydration response element
Rubisco ActivasePhotosystem II reaction center protein
NADH dehydrogenase subunitNADH dehydrogenase
Photosystem I PSaA/PSaB proteinATP synthase subunit
Chlorophyll A/B binding proteinPhotosystem II light harvesting complex
NADH-ubiquinoneNADH dehydrogenase family protein
Dehydration response element
Log2 fold changes of differentially expressed genes. These transcripts show
differently expressed genes, in the elevated carbon dioxide condition,
relating to photosynthetic components.
Transcriptome Analysis
a b
Numero de metabolitos mostrando diferença significativa em dois períodos de coleta
GC-MS Metabolite Analysis
Antecipação da abertura floral de Stylosanthes capitata nos tratamentos de elevada temperatura (a) em
relação ao controle (b), incidindo diretamente sobre horário e frequência da visitação de polinizadores.
Elevada temperatura Controle
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
C eT eC eT+eC
Sistema Trop-T-FACE para pesquisa dos efeitos das mudanças climáticas em plantas (capacidade instalada para outros projetos de colaboração).
Estabelecimento de rede de colaboração nacional e internacional para pesquisa em Mudanças Climáticas.
Informações cientificas sobre as respostas das plantas ao incremento de CO2 e temperatura em simulação climática futura em condições de campo (publicados e em processo de publicação)
Formação de recursos humanos para pesquisa (graduação, pós-graduação e pós-doutoramento).
Workshop on Impacts of Global Climate Change on Agriculture and Livestock
Training Course: Photosynthesis and Respiration in Plants and Ecosystems in a Global Change Scenario.
PPHHOOTTOOSSYYNNTTHHEESSIISS AANNDD RREESSPPIIRRAATTIIOONN IINN PPLLAANNTTSS AANNDD EECCOOSSYYSSTTEEMMSS IINN AA GGLLOOBBAALL CCHHAANNGGEE SSCCEENNAARRIIOO
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
FFCLRP – DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOLOGIA COMPARADA
~50 Participantes
MIQUEL GONZALES-MELER, University of Illinois at Chicago, USA
KEVIN LEE GRIFFIN, Columbia University, USA
CARLOS ALBERTO MARTINEZ (Coordinator), University of Sao Paulo, RP,SP, Brazil
COLABORAÇÃO:
NEWTON LA SCALA, Unesp, Jaboticabal, SP
ELIEMAR CAMPOSTRINI, UENF, RJ
LAURICIO ENDRES, UFAL, AL
7-12 FEVEREIRO DE 2012
Workshop on Impacts of Global Climate Change on
Agriculture and Livestock
May 27, 2014
11 Palestrantes (4 dos Estados Unidos, 7 do Brasil)
~100 Participantes
Futuros Projetos Trop-T-FACE
• Colaboração com P j : “Dimensions US-BIOTA São Paulo: Integrando as dimensões da biodiversidade microbiana ao longo de áreas de alteração do uso da terra em florestas tropicais”. Coordenação: Siu Mui Tsai
Financiamento: FAPESP-NSF (2014-2018)
• Execução do Projeto: “Impacto do aquecimento e da deficiência hídrica no desempenho molecular, bioquímico, fisiológico, produtivo e reprodutivo de duas espécies forrageiras tropicais”.
Coordenação: Carlos Alberto Martinez
Financiamento: CNPq (2016-2017) CHAMADA MCTI/CNPQ/ANA Nº 23/2015 - PESQUISA EM MUDANÇA DO CLIMA
Agradecimentos