Source-sink patterns on coffee trees related to annual climate variability: an approach through isotopes, carbohydrates, and spectral analysis | Padrões fonte-dreno em cafeeiros relacionados à variabilidade climática anual: uma abordagem através de isótopos, carboidratos e análise espectral

The coffee tree is subject throughout the year to adversities resulting from climatic events that can affect the development and productivity of the crop. One of the processes highly influenced by climate is the allocation and partitioning of carbon, with changes in the export/import of resources between source and sink tissues. Thus, unraveling the mechanisms of differential allocation as well as the source-sink relationship under different climatic conditions is of great relevance for management, agroecological and socioeconomic issues. A quick and straightforward approach to assessing a plant's carbon status is to measure the size of its overall non-structural carbon (NSC) stock in periods of variable demand. However, long-term studies with this approach are scarce, making it difficult to understand the physiological processes and controls involved. Thus, this thesis proposes the use of three analytical methods to address the spatio-temporal variation in source-sink relationship in coffee plants in field conditions: growth analysis, stable isotope analysis and carbohydrate profile analysis validated by near infrared spectroscopy (NIRS). The growth analysis involves and integrates the form and function of the plant in a holistic way and allowed us to know the main patterns of vegetative and reproductive growth depending on the phenology and climate of the region, as well as confirming the bienniality patterns linked to the negative correlation that exists between growth and reproduction. Stable isotopic analysis constitutes a useful tool to identify the processes that control the dynamics of carbon (C) and nitrogen (N) flux in the plant and led us to identify the null variation of the C isotopic ratio over time, as well as the isotopic differences between heterotrophic and autotrophic tissues and the isotopic differences within the tree canopy between the established thirds. Carbohydrate profile analysis is a tool that allows us to determine the stock of the main non-structural compounds (NSC) in plant organs, leading us to quantify the stocks of protein, amino acids, reducing sugars, total soluble sugars, sucrose, and starch throughout of time and in the different portions of the tree canopy. The values quantified in the laboratory were validated through near-infrared spectroscopy, which is a quick and easy technique to evaluate the composition of NSC in different tissues and plant organs. After obtaining the raw spectral information, several predictive models were used to scale the spectra in NSC content measurements, using measured values as a reference. These methods were used to achieve a "metabolic flux" vision allowing us to understand the carbon and nitrogen flows/allocation in response to the plant's phenology (alternating between vegetative / reproductive cycles) and especially in response to the climate.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

O cafeeiro está sujeito durante todo ano a adversidades decorrentes de eventos climáticos que podem prejudicar o desenvolvimento e a produtividade da cultura. Um dos processos altamente influenciados pelo clima é a alocação e partição de carbono, com mudanças na exportação/importação de recursos entre tecidos fonte e dreno. Assim, desvendar os mecanismos da alocação diferencial bem como da relação fonte-dreno sob diferentes condições climáticas é de grande relevância para questões de manejo, agroecológicas e socioeconômicas. Uma abordagem rápida e direta para avaliar o status de carbono da planta é medir o tamanho de seu estoque geral de carbono não estrutural (NSC) em períodos de demanda variável. No entanto, estudos de longo prazo com essa abordagem são escassos, dificultando o entendimento dos processos fisiológicos e controles envolvidos. Assim, nesse contexto, esta tese propõe o uso de três métodos analíticos para abordar a variação espaço-temporal na relação fonte-dreno em cafeeiros em condições de campo: análise de crescimento, análise isotópica estável e análise de perfil de carboidratos validada através de análise por espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS). A análise de crescimento envolve e integra a forma e a função da planta numa forma holística e nos permitiu chegar aos principais padrões de crescimento vegetativo e reprodutivo em função da fenologia e do clima da região, bem como confirmar os padrões de bienalidade ligados à correlação negativa que existe entre crescimento e reprodução. A análise isotópica estável constitui uma ferramenta útil para identificar os processos que controlam a dinâmica do fluxo de carbono (C) e nitrogênio (N) na planta e nos levou a identificar a variação nula da razão isotópica do C ao longo do tempo, bem como as diferenças isotópicas entre tecidos heterotróficos e autotróficos e as diferenças isotópicas dentro da copa da árvore entre os terços estabelecidos. A análise de perfil de carboidratos é uma ferramenta que permite determinar o estoque dos principais compostos não estruturais (NSC) nos órgãos da planta, nos levando à quantificação dos estoques de proteína, aminoácidos, açucares redutores, açúcares solúveis totais, sacarose e amido ao longo do tempo e nas diferentes porções da copa da árvore. Os valores quantificados em laboratório foram validados através de análise espectral no infravermelho próximo que se constitui como uma técnica rápida e fácil para avaliar a composição de NSC em diversos tecidos e órgãos vegetais. Após a obtenção das informações espectrais brutas, vários modelos preditivos foram usados para dimensionar os espectros em medidas de conteúdo NSC, a partir de valores medidos como referência. Esses métodos foram usados para alcançar uma visão de "fluxo metabólico" que nos permitiu entender os fluxos/alocação de carbono e nitrogênio em resposta à fenologia da planta (alternando entre ciclos vegetativos / reprodutivos) e principalmente em resposta ao clima.