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