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FUNDAMENTOS DE FISIOLOGIA VEGETAL

Prof. Rosecélia Moreira da Silva Castro

Belém - Pará

2020

FUNDAMENTOS DE FISIOLOGIA VEGETAL

Rosecélia Moreira da Silva Castro/ CR: 3; CH: 45.

Unidade 01: Introdução à Fisiologia Vegetal

1.1. As plantas e sua importância para a humanidade.

Desde o início da organização humana até os dias atuais, o cultivo de plantas tem uma estreita relação

com a população. Os recursos vegetais podem servir como fonte de alimento (SIVIERO et al., 2011),

remédios (PAULA & CRUZ-SILVA, 2010), ornamentação (QUEIROZ & LAMANO-FERREIRA,

NO PRELO), religião (FRANCO et al., 2011), processos e mudanças ambientais, uso de materiais,

dentre outras finalidades (ALMADA, 2010). As plantas são fundamentais para a vida na Terra. Elas

geram oxigênio, alimento, fibras, combustíveis e remédios que permitem aos humanos e outras

formas de vida existir, servindo como obtenção de alimentos para maioria dos seres vivos. Elas

também são essenciais para o controle da temperatura da Terra e o equilíbrio e dinâmica da água no

planeta. Enquanto realizam tudo isso, as plantas ainda absorvem dióxido de carbono, um importante

gás do efeito estufa, através da fotossíntese e servindo para alimentar o mundo. É evidente o valor

econômico de plantas como o trigo, o arroz, o milho, o feijão e a soja. As três primeiras são as culturas

agrícolas mais importantes do planeta e sustentam a civilização hoje.

Ao longo da maior parte da história, a população humana manteve estilo de vida rural, dependendo

da agricultura e caça para a sobrevivência. Em 1800, 97% da população humana viviam no campo.

Em 1900, essa proporção ainda era de 86%. Em 1950, a população rural caiu para 70%. Pela primeira

vez na história, o equilíbrio entre populações urbanas e rurais estabeleceu-se em 2008 (People & the

Planet, 2012). Em alguns países, a proporção de habitantes em cidades é muito acentuada. Em 2010,

a população urbana no Brasil já havia atingido 84% (IBGE, 2016). Cada vez menos pessoas

envolvem-se diretamente na produção de alimentos, embora a produção agrícola e agropecuária

cresça continuamente. O contínuo êxodo rural vem reduzindo a interação das pessoas com as plantas

e acentuando os efeitos da cegueira botânica. Ao contrário, populações do campo, afastadas das

regiões urbanas, tendem a conhecer e valorizar mais as plantas. Um exemplo a esse respeito são as

pequenas populações que vivem no parque estadual do Jalapão (leste do estado de Tocantins), com

pouco contato com regiões urbanas. Coerentemente aos nossos argumentos, seus habitantes mostram

poucos sinais de cegueira botânica, pois possuem elevado grau de saber tradicional sobre as plantas,

não raro coerente com o conhecimento científico (Viana, 2013).

Dentre os fatores mais importantes, está a produção agrícola, que é uma atividade essencial para a

produção mundial de alimentos, cuja escassez foi prevista em 1786 por Malthus. Esse verificou que

o crescimento populacional era maior que o aumento da produção agrícola ao longo do tempo.

Embora isso não tenha ocorrido devido à expansão das áreas e ao incremento da produção agrícola,

a população mundial continua crescendo e os agricultores precisam produzir mais e em menor área.

Dentre os fatores da produção agrícola, os fertilizantes oferecem resposta rápida no aumento de

produtividade, contribuindo para reduzir o desmatamento, a erosão, a poluição da água, emissão de

gases do efeito estufa, o que afetaria a humanidade e o meio ambiente. Através do processo da

fotossíntese as plantas convertem energia luminosa em energia química, transformando dióxido de

carbono (CO2), água (H2O) e minerais em compostos orgânicos (açúcares) e liberando oxigênio

gasoso (O2). Na fotossíntese, a radiação eletromagnética (luz) é utilizada para disponibilizar os

elétrons (através da oxidação da água) necessários à redução do NADP+ a NADPH, gerando

paralelamente energia para síntese de ATP. Esse poder assimilatório é, então, usado para reduzir CO2

a carboidratos, com ganho líquido de energia química. O processo como um todo pode ser resumido

pela equação abaixo: CO2 + 2 H2O ->Luz + Pigmentos-> C (H2O) + H2O + O2 ↑. Ver esquema da

fotossíntese em: https://doi.org/10.1590/1983-21172016180105.

ATIVIDADE SOBRE A IMPORTÂNCIA DAS PLANTAS

Nessa atividade cada aluno fará um texto dissertativo com o tema: "Qual a importância das plantas

para humanidade", o texto deve iniciar com uma Introdução, e conter no desenvolvimento do texto

principalmente casos do seu cotidiano, a conclusão terão que responder como sobreviveriam sem as

plantas e/ou como fariam para sobreviver).

1.2. Conceito de Fisiologia Vegetal.

É o ramo da botânica que trata dos fenômenos vitais que ocorrem nas plantas, ou seja, como

funcionam os vegetais. Mais especificamente, ela estuda os processos e funções do vegetal, bem como

as respostas das plantas às variações do meio ambiente (solo, clima e outras espécies vegetais e

animais). Entende-se por processo qualquer sequência natural e contínua de acontecimentos que possa

ser observada nas plantas. Dentre eles pode-se citar: fotossíntese, respiração, absorção e condução de

água e de nutrientes, translocação de fotoassimilados, germinação, floração, etc. Considera-se função

como sendo a atividade natural de uma parte qualquer do vegetal, ou seja, o papel desempenhado por

um órgão, tecido, célula, organela ou constituinte químico da planta. Por exemplo, a atividade

fundamental dos cloroplastos é a fotossíntese e a das mitocôndrias é a respiração, já os estômatos

desempenham papel importante no controle da difusão, para dentro ou para fora, de vapor de água,

de CO2 e de O2. Estas organelas e células estão localizadas nas folhas, que são órgãos onde ocorrem

a fotossíntese, respiração e transpiração.

1.3. Aspectos práticos da fisiologia de plantas.

Além dos aspectos teóricos, que ajudam o homem a entender como as plantas nascem, crescem e se

reproduzem, os estudos da Fisiologia Vegetal fornecem conhecimentos que possibilitam um manejo

mais adequado dos indivíduos e das populações vegetais cultivadas e nativas, como se acabou de

discutir. Apesar da fisiologia vegetal ter aplicações na ecologia, no paisagismo e jardinagem, na

farmacologia e na fitoquímica, foi na agricultura (olericultura, fruticultura, silvicultura, floricultura,

forragicultura, e agricultura propriamente dita) onde os conhecimentos oriundos desta ciência

causaram maior impacto. Uma boa produção agrícola é consequência de um crescimento e

desenvolvimento adequados, os quais dependem da operação equilibrada dos diversos processos e

funções do vegetal. Examinando-se as altas produtividades observadas na chamada agricultura

moderna verifica-se que isto se deve, basicamente, a utilização de cultivares mais produtivos

(contribuição da Genética e do Melhoramento), ao uso de fertilizantes (contribuição da Fisiologia e

da Ciência do Solo), ao uso de pesticidas (contribuição da Fitopatologia e da Entomologia), ao uso

de irrigação e de máquinas agrícolas (contribuição da Engenharia Agrícola, da Ciência do Solo e da

Ecofisiologia), ao uso de técnicas de propagação vegetativa (contribuição da Fisiologia) e, finalmente,

ao uso de técnicas de armazenamento e de transporte de sementes, de frutos e de hortaliças

(contribuição da Engenharia Agrícola e da Fisiologia). Estes fatos, por si só, demonstram quanto

importante tem sido a contribuição desta ciência para o desenvolvimento da agricultura. Convém

salientar, entretanto, que a utilização inadequada de algumas destas tecnologias tem provocado, não

só o aumento exagerado no consumo de energia e de fertilizantes provenientes de fontes não

renováveis, como também tem se constituído em ameaça para a vida em nosso planeta. Os exemplos

mais conspícuos disto são a salinização e poluição dos solos e das águas e a poluição dos alimentos

decorrente do uso inadequado de defensivos agrícolas. Além disto, o aumento constante da população

de nosso planeta vai nos forçar, cada vez mais, a utilizar áreas que hoje são consideradas inadequadas

para a agricultura, devido a falta ou excesso de água, problemas de salinidade, de sodicidade, de

acidez e alcalinidade dos solos, e, finalmente, temperaturas altas ou baixas.

Mais uma vez, a área da fisiologia vegetal está sendo utilizada para a solução de problemas, através

de estudos que visam:

a) O esclarecimento dos mecanismos envolvidos na absorção e transporte de nutrientes, bem como

dos de fixação simbiótica do nitrogênio atmosférico, encontrado em algumas espécies vegetais; estas

descobertas, por certo, contribuirão para otimizar o uso de fertilizantes e poderão fornecer subsídios

para que se transfira a característica de fixar nitrogênio para espécies que não a possuem; a

consecução destes objetivos possibilitará uma grande economia de fertilizantes originados de fontes

não renováveis;

b) A compreensão dos mecanismos envolvidos na resistência aos diversos tipos de estresses sofridos

pelas plantas, a fim de que se possa desenvolver métodos e técnicas de manejo que sejam capazes de

minorar os efeitos deletérios do estresse; informações deste tipo, quando acopladas ao trabalho de

biologistas moleculares e de melhoristas podem redundar no desenvolvimento de cultivares que sejam

produtivos e menos susceptíveis aos diferentes tipos de estresse;

c) O estudo dos mecanismos fisiológicos e bioquímicos envolvendo a relação patógeno/planta e

inseto/planta; uma melhor compreensão do que ocorre na fisiologia das plantas susceptíveis e

daquelas que são resistentes ao ataque do patógeno ou inseto poderá fornecer dados fundamentais

para o controle biológico das doenças e pragas, e, até mesmo possibilitar a descoberta de

“medicamentos curativos”.

1.4. Limitações ao estudo da Fisiologia Vegetal.

Ao se examinar os representantes dos diferentes grupos que compõem os vegetais, verifica-se que

dentre as cerca de meio milhão de espécies de plantas, são encontrados indivíduos que possuem as

mais variadas formas, tamanhos, ciclos de vida e que vivem em diferentes habitats. Estes fatos criam

enormes dificuldades aos fitofisiologistas no que diz respeito a generalizações sobre os processos e

funções de todos estes grupos de indivíduos e de como o ambiente modifica estes processos e funções.

Estas dificuldades, associadas a razões de ordem econômica, levaram os fisiologistas a concentrarem

seus esforços no estudo das plantas produtoras de sementes (gimnospermas e angiospermas).

Entretanto, como os representantes destes grupos são indivíduos bastante complexos, do ponto de

vista morfofisiológico, os pesquisadores têm lançado mão do artifício de estudar organismos mais

simples (algas e bactérias, por exemplo), extrapolando os conhecimentos adquiridos nestes estudos

para as plantas vasculares. Exemplos disto são os estudos sobre absorção de íons e de solutos, em

geral, que foram realizados com algas dos gêneros Chara e Nitella, os de fotossíntese, especialmente

aqueles relacionados com a fixação e assimilação do CO2, que foram feitos em algas dos gêneros

Scenedesmus e Chlorella, além dos estudos sobre o metabolismo dos ácidos nucléicos e proteínas, os

quais foram, inicialmente, levados a cabo na bactéria Escherichia coli. Outro fator que limita o estudo

dos processos e funções do vegetal, especialmente a nível celular, é a dificuldade de se medir in vivo

a atividade metabólica nos diversos compartimentos da célula. Geralmente, o que se faz é quebrar a

integridade estrutural do tecido e de suas células com o auxílio de técnicas que envolvem maceração

e centrifugação, a fim de se isolar organelas ou o citosol, onde, então, são feitas as análises físicas e

químicas in vitro. Este tipo de enfoque experimental que envolve a extrapolação de fenômenos que

ocorrem em um tubo de ensaio para o organismo vivo, apesar de não ser o ideal, tem sido responsável

pela elucidação de muitos dos mecanismos envolvidos nos processos fisiológicos. Finalmente, como

os métodos utilizados na Fisiologia Vegetal são físicos, químicos ou anátomo-citológicos, os

equipamentos utilizados estão, cada vez mais caros e sofisticados, dificultando a aquisição dos

mesmos por grupos de pesquisadores que não tenham um bom suporte financeiro para seu trabalho.

Unidade 02: Estrutura e Função da Célula, dos Tecidos e dos Órgãos da Planta.

As plantas possuem moléculas inertes, as quais são formadas de átomos, que, por sua vez, são

constituídos de prótons, elétrons, nêutrons, etc. Por outro lado, a matéria inanimada encontrada no

ambiente que nos rodeia e representada por rochas, areia, barro, atmosfera, solução aquosa de rios,

lagos, lagoa e oceanos, também é constituída dos mesmos componentes. Quando estas moléculas,

proveniente dos vegetais ou da matéria inanimada, são isoladas e examinadas individualmente, elas

obedecem às leis da física e da química que descrevem o comportamento (atividade) da matéria

inanimada. Apesar de serem constituídos dos mesmos componentes encontrados na matéria não viva,

os vegetais são bem mais complexos e altamente organizados. A matéria inanimada consiste de uma

mistura ao acaso de compostos químicos, que são relativamente simples, enquanto que nos vegetais

as moléculas são agrupadas em organelas bem estruturadas e que são componentes celulares. Estas,

por sua vez, estão organizadas em tecidos, que se agrupam para formar os diferentes órgãos da planta.

As atividades físicas e químicas dos componentes da matéria são objeto de estudo da física e da

química, respectivamente.

Entretanto, o comportamento (atividade) físico (a) e químico (a) dos componentes celulares,

conhecido como metabolismo, é estudado na Bioquímica e na Fitofisiologia (Fisiologia Vegetal). Os

efeitos do metabolismo no crescimento e no desenvolvimento das plantas, bem como os efeitos das

variações ambientais no metabolismo e por via de consequência, no crescimento e desenvolvimento,

são também objeto de estudo da Fisiologia vegetal. Pode-se ainda concluir que a organização

estrutural das macromoléculas, organelas, células, tecidos e órgãos do vegetal é fundamental para um

crescimento e desenvolvimento equilibrados. Portanto, mudanças no ambiente que redundem em

alterações estruturais, quase sempre, resultam em efeitos sobre o metabolismo e, por via de

consequência, sobre o crescimento e desenvolvimento do indivíduo. Em resumo, o perfeito

funcionamento do vegetal depende, basicamente, de sua organização estrutural e da atividade física

e química dos componentes celulares. A consequência disto é que os fitofisiologistas, além dos

conhecimentos de anatomia e de citologia, devem possuir uma boa base de física e de química, pois

o estudo da Fisiologia Vegetal fundamenta-se e utiliza metodologias próprias destas ciências. Quando

se analisa o efeito das variações ambientais sobre o crescimento e desenvolvimento do vegetal

verifica-se que isto depende, em grande parte, do genótipo do indivíduo. Para que se possa entender

isto se deve ter em mente que o crescimento e desenvolvimento dependem das atividades físicas e

químicas dos componentes celulares, que, por sua vez, são regulados graças a interação entre o

patrimônio genético do indivíduo – potencial hereditário - e o meio ambiente. Visualiza-se melhor o

significado da interação genótipo-ambiente quando se semeia, em determinada área, um grupo de

sementes de arroz e outro de feijão. O patrimônio genético contido no genoma de cada uma destas

espécies garantirá que as plantas produzidas a partir das sementes de cada uma delas tenham as

características morfológicas (fenótipo) do arroz ou do feijão. Entretanto, é o ambiente que irá

determinar se as plantas serão vigorosas ou raquíticas, turgescentes ou murchas, se irão florescer ou

permanecer em estado vegetativo, e assim por diante. Dos fatores ambientais que afetam o

crescimento e desenvolvimento das plantas, a luz (intensidade, qualidade e duração), a umidade (do

solo e da atmosfera), a temperatura (do solo e do ar), a concentração de sais 5 solúveis no solo (ânions:

cloretos, sulfatos, carbonatos e bicarbonatos – raramente nitratos; cátions: sódio, magnésio e cálcio –

raramente potássio) e de gases na atmosfera (O2, CO2, C2H4, O3, CO, SO2, H2S, HF, NO, NO2 e

compostos orgânicos voláteis) são os mais importantes. Apesar de muitos dos efeitos destes fatores

ambientais no crescimento e desenvolvimento já serem conhecidos, ainda falta muito para que se

possa explicar o que ocorre a nível celular e molecular. A compreensão do que ocorre a este nível

poderá fornecer ao homem os conhecimentos básicos indispensáveis ao desenvolvimento de métodos

e técnicas de manejo capazes, não só de otimizar a produção agrícola como também evitar possíveis

efeitos deletérios de certos fatores ambientais sobre o crescimento e desenvolvimento dos vegetais.

Unidade 03: Relações Hídricas

3.1 Estrutura e propriedades da água.

A célula é a estrutura básica de todos os organismos, porém a organização dos vegetais pode variar

desde simples estruturas unicelulares a complexas estruturas multicelulares, com inúmeros órgãos e

atividades fisiológicas bastante distintas. Com a maior complexidade dos organismos, o sistema de

absorção de água também se torna mais sofisticado, pois a água se movimenta por maiores distâncias,

deve ser estocada em compartimentos específicos, e o vegetal deve controlar a sua absorção e perdas

para o meio onde está se desenvolvendo. Contudo, a célula, mesmo nos organismos mais complexos,

continua sendo a unidade central que controla as respostas do vegetal à disponibilidade de água no

solo e na atmosfera, e a variação das características físico-químicas dela resulta em aclimatação do

vegetal ao meio ambiente. Este controle das características físico-químicas da célula e do vegetal, e

sua consequente aclimatação (fenotípica) ou adaptação (genotípica) são maiores ou menores segundo

a espécie e variam também entre genótipos de uma mesma espécie (Kramer & Boyer, 1995). A célula

vegetal é constituída do citoplasma, com múltiplas organelas (vacúolos, cloroplastos, mitocôndrias

etc.), que é envolvido por uma membrana, a plasmalema, e pela parede celular. O conjunto formado

por citoplasma e plasmalema é chamado de protoplasma. A parede celular é composta por lamela

média, parede primária e parede secundária. A lamela média é constituída de pectina, que é formada

por vários compostos, sendo os mais importantes são os ácidos poligalacturônicos que, por possuírem

cargas negativas, responsáveis pela capacidade de troca catiônica (CTC) do apoplasto (que é o espaço

exterior à plasmalema, dentro do tecido vegetal), que nas raízes é chamado espaço livre de Donnan.

A parede primária já se desenvolve em células jovens, e é composta por uma estrutura porosa,

constituída de microfibrilas de celulose (em torno de 10 nm de diâmetro) com baixo grau de

polimerização, e de hemicelulose (xilanos em monocotiledôneas e xiloglucanos em dicotiledôneas),

que são embebidas numa matriz de oligossacarídeos e algumas proteínas estruturais, principalmente

glicoproteínas, o que demonstra que existe atividade metabólica na lamela média e na parede

primária. As microfibrilas provêem a força tênsil da parede e a matriz mantém as microfibrilas

interligadas numa forma organizada. A orientação das microfibrilas controla o crescimento celular

para determinadas direções e, quando a célula pára de crescer, camadas adicionais de parede celular

(parede secundária) são depositadas entre a plasmalema e a parede primária. Esta parede secundária

contém celulose com alto grau de polimerização, com menos hemicelulose e proteínas que a primária,

além de ligninas, principalmente em monocotiledôneas, suberinas, mais em dicotiledôneas (Zeier et

al., 1999), e outros compostos, que dão as características especiais de rigidez e impermeabilidade

próprias às árvores, cascas de castanhas e outros tecidos vegetais (Sattelmacher, 2001). Devido a estas

diferenças na composição da parede celular de mono e dicotiledôneas, estas últimas têm maior

concentração de pectinas, compostas por ácidos poligalacturônicos, com cargas negativas que retêm

cátions e, por isso, têm a capacidade de troca catiônica (CTC) duas a três vezes maior que as monocotiledôneas.

Nas dicotiledôneas, há uma maior dificuldade de penetração de cátions, sendo elas também mais sensíveis à

toxidez de Al+3, e uma maior exclusão de ânions, como o H2PO4 - , que é limitante na maioria dos solos

tropicais (Marschner, 1995). Isso mostra que o movimento de íons no apoplasto é caracterizado por interações

eletrostáticas com a parede celular e no chamado Espaço Livre Aparente (ELA), que corresponde a mais ou

menos 5% do volume da raiz. O ELA é dividido em Espaço Livre de Donnan (ELD), onde a água e os íons

interagem com as cargas da parede, e o Espaço de Água Livre (EAL), onde o movimento de água e de íons

não é influenciado pelas cargas negativas da parede. A relação entre o ELD e o EAL é de 20% para 80%, e o

ELD é responsável pela CTC da raiz, que não é constante, variando com o ambiente, e é regulada por enzimas

como a pectina metilesterase (PME). As pectinas da parede celular têm uma grande influência na

condutividade hidráulica da raiz e, em conjunto com a extensina, afetam a elasticidade da parede

(Sattelmacher, 2001), que vai controlar a expansão celular (Neumann, 1995), como será visto adiante, com a

equação de Lockhart para o crescimento.

A importância da água para a biosfera decorre de suas propriedades físico-químicas únicas, que já

eram reconhecidas desde o século XIX, mas até hoje ainda persistem algumas dúvidas a respeito

dessas propriedades. A água, com o seu peso molecular, só deveria existir, na temperatura ambiente,

na forma de gás, e deveria ter um ponto de congelamento abaixo de -100°C. Contudo, ela existe como

líquido na temperatura ambiente e seu ponto de congelamento é de 0°C. Ela possui, depois da amônia,

o mais alto calor específico (0,0754 kJ mol-1 °C –1, a 25°C; que é a quantidade de energia requerida

para aquecer um grama de água, de 14,5 a 15,5°C); o seu calor de vaporização é de 2,26 MJ kg-1, a

100°C, ou 40,7 kJ mol-1, o que, por unidade de massa, é o maior valor de calor de vaporização de

qualquer líquido conhecido; e a sua tensão superficial é de 0,0728 N m-1 a 20°C, que é um valor

bastante superior ao de outros líquidos (Nobel, 1999). A água também tem uma alta densidade, que

é máxima a 4°C (menor volume da água), e o que é extraordinário é o fato da água expandirse,

assumindo uma estrutura mais organizada, ao congelar a 0°C e, por isso, o gelo tem um volume 9%

superior à água líquida, o que explica porque o gelo bóia.

3.2 Difusão e osmose.

A difusão é um processo espontâneo de movimento de uma substância, no estado líquido ou gasoso,

de um local para outro adjacente, onde a atividade da substância em questão é menor (Nobel, 1999).

Em 1855, Adolph Fick foi o primeiro pesquisador a examinar quantitativamente o processo de

difusão, com base na diferença de concentração da substância, que resultou na equação da densidade

de fluxo, em função da força motriz, que no caso é o gradiente de concentração (Kramer & Boyer,

1995).

Um terceiro processo responsável pelo transporte de água é a osmose, a qual se refere ao movimento

de um solvente, tal como a água, através de uma membrana. No fluxo em massa, o transporte é

impulsionado por um gradiente de pressão; na difusão por um gradiente de concentração; já na

osmose, os dois tipos de gradiente influenciam no transporte. Portanto, neste processo, a direção e a

taxa de fluxo de água através da membrana são determinados pela soma destas duas forças (gradiente

de pressão e de concentração). Osmose = f (gradiente de pressão + gradiente de concentração) Estas

observações sobre osmose levam ao desenvolvimento de um conceito de uma força total,

representando o gradiente de energia livre associado com a água. Na prática, esta força que

impulsiona o movimento da água é expressa como um gradiente de potencial químico ou, como

estabelecido pelos fisiologistas de planta, como um gradiente de potencial hídrico. Para entendermos

o conceito de osmose, imagine um sistema (osmômetro) composto por um recipiente dividido ao

meio por uma membrana com permeabilidade seletiva. Se a água pura é colocada de um lado da

membrana (A) e alguma solução for colocada no outro lado (B), naturalmente que a água pura por ter

maior potencial hídrico se difundirá em direção à solução, elevando o seu nível. Esta tendência é

contrabalançada e o equilíbrio é estabelecido devido a pressão hidrostática desenvolvida pelo peso da

coluna da solução, sendo chamada de pressão osmótica. Assim, qualquer solução colocada num

osmômetro, terá, por conseguinte, a capacidade para desenvolver uma pressão osmótica

3.3 Conceito de potencial hídrico e de seus componentes.

A água no sistema solo-planta-atmosfera busca constantemente o equilíbrio termodinâmico

obedecendo à tendência universal de se mover de locais onde apresenta maior energia para aqueles

onde os níveis energéticos são mais baixo (Ferreira, 1988). A energia associada ao sistema água-

planta-atmosfera é de natureza cinética e potencial. A contribuição do componente cinético é

normalmente insignificante devido à baixa velocidade do movimento da água líquida na planta.

Entretanto, a água neste sistema possui energia potencial desde que se desloca em resposta a certas

forças inerentes ao organismo vegetal. Esse estado de energia é descrito pela função energia livre de

Gibbs da Termodinâmica. Em termos termodinâmicos, a energia livre representa o potencial para

realizar trabalho. Nós observamos, no entanto, que um grande volume de água possui mais energia

livre do que um pequeno volume de água, sob condições idênticas. Por exemplo, uma barragem, como

a de Sobradinho, tem mais energia livre quando está cheia, e isso tem reflexo direto na produção de

energia elétrica. Portanto, como estamos querendo entender o transporte de água através de

compartimentos de diferentes volumes (solo, células de plantas, atmosfera, etc.), torna-se mais

conveniente medirmos a energia livre da água em relação a uma quantidade unitária dessa substância,

no caso um mol. A quantidade de energia livre por mol é conhecida como Energia Livre Molal Parcial

de Gibbs (Gw) e pode também ser referida como potencial químico da água (µw). Esse potencial

químico, como a concentração e a temperatura, é independente da quantidade da substância sob

consideração. O potencial hídrico é o potencial químico da água no sistema (µw), expresso em

unidade de pressão, e comparado com o potencial químico da água pura (µ o w) em pressão

atmosférica e mesma temperatura. O potencial hídrico da água pura foi estabelecido como zero

(convencionou-se). Portanto, os valores de Ψw nas células são quase sempre negativos. Na maioria

dos sistemas biológicos, o fluxo de água é controlado pelo potencial hídrico (Ψw), com a água se

movendo de regiões de maior para regiões de menor potencial hídrico. Uma exceção importante é o

fluxo da seiva floemática que é controlado pela pressão. Em geral, a energia livre da água pode ser

influenciada por quatro principais fatores: concentração, pressão, forças de superfície e coloidais e

gravidade. Assim, podemos representar o potencial hídrico (Ψw ) com os seguintes componentes:

Ψw = Ψs + Ψp + Ψm + Ψg Os termos Ψs , Ψp , Ψm e Ψg denotam os efeitos de solutos, pressão,

forças de superfície e coloidais e gravidade, respectivamente, sobre a energia livre da água. O estado

de referência ou potencial hídrico padrão foi estabelecido como zero. Assim, os fatores acima podem

aumentar ou diminuir o potencial hídrico, ou seja, a energia livre capaz de realizar trabalho.

3.4 Água no solo.

Quando há disponibilidade de água no solo, esta se movimenta, por difusão, do solo para a planta e

da planta para a atmosfera, no sistema contínuo solo-planta-atmosfera, o “SSPA” (Angelocci, 2002).

A água está no estado líquido no solo e na planta, até a superfície das paredes celulares da folha, na

câmara subestomática, ou na epiderme, onde ela se vaporiza, passando para a atmosfera no estado

gasoso (Sutcliffe, 1971). Este movimento de difusão da água ocorre devido ao gradiente de Ψa, que

existe entre o solo (a princípio, com o maior Ψa do SSPA), a planta (com menor Ψa que o do solo) e

a atmosfera (em geral, com menor Ψa que o da planta e solo), o que provoca o transporte da água do

solo para a planta, à medida que esta perde água para a atmosfera, pela transpiração (Winter, 1976).

O movimento de água nesse sistema pode ser comparado ao da corrente elétrica num circuito elétrico

com resistências em série ou paralelas, num processo catenário, onde cada catenário funciona como

um circuito elétrico e, de acordo com as leis básicas da eletricidade, os componentes em série (na raiz

e no caule, por exemplo) reduzem a condutância do sistema e, quando em paralelo (nas diferentes

folhas, por exemplo (Tyree, 1997), as suas condutâncias são aditivas (Steudle & Peterson, 1998).

Ver em : Pimentel, Carlos, 1955 - P644r A relação da planta com a água / Carlos Pimentel. - Seropédica, RJ:

Edur, 2004. 191p.: il

3.5 Absorção, condução e perda de água pelas plantas.

Desde o início do século XX, os fisiologistas vegetais já se preocupavam com o efeito da perda de

água pela transpiração sobre o crescimento, assimilação do CO2 e balanço de energia da planta, como

Pfeffer (1912): “Em função da transpiração e do fornecimento de água, o estado de turgescência e,

por consequência, o crescimento das plantas terrestres é submetido a variações consideráveis e,

quando a planta murcha, pode ocorrer paralisação do crescimento.”; “O crescimento depende

enormemente da água que a planta contém e que pode obter. Uma ligeira queda da turgescência

celular é suficiente para causar uma diminuição notável do crescimento celular e, quando a membrana

celular deixa de estar sob pressão (pressão de turgescência), o crescimento cessa”; ou os textos de

Maximov (1929): “As folhas devem manter a comunicação entre as células do clorênquima e a

atmosfera, que contém o dióxido de carbono necessário à nutrição vegetal. O inevitável resultado

disto é o processo de perda de água conhecido como transpiração e, se a transpiração excede a

absorção de água, a planta murcha ou mesmo morre. O trabalho de vaporização da água na folha

consome em torno de 80% ou mais da energia solar absorvida por esta”; “Em milho, os estômatos se

fecham no meio do dia em dias quentes, mesmo quando as plantas estão bem supridas em água. A

causa desta regulação (da transpiração, via fechamento estomático) eu estou inclinado a buscar nas

condições de suprimento de água e no movimento da água pela planta, pois com a coesão entre as

partículas da coluna de água formada na planta de cima até embaixo, um retardo no movimento de

água embaixo inevitavelmente envolve um retardo em cima. E assim, a pressão de vapor de água, na

superfície das paredes das células (do mesófilo foliar), onde ocorre a evaporação da água, diminui e

a transpiração decresce. À medida que a perda de água excede a absorção (pelas raízes), a resistência

ao fluxo de água nos espaços intercelulares aumenta” A transpiração é considerada a perda de água

das plantas para a atmosfera, na forma de vapor de água, e é o processo dominante nas relações da

planta com a água. Isto ocorre por causa do grande volume envolvido no processo e seu efeito no

conteúdo de água da planta, assim como na geração de um gradiente de energia (Ψa), que é o principal

fator de controle da absorção de água do solo e de sua ascensão à parte aérea, junto com os nutrientes,

pelo xilema (Sutcliffe, 1971; Winter, 1976; Milburn, 1979). Durante o seu tempo de vida, a planta

transporta uma quantidade imensa de água, na proporção de 200 a 1000 vezes a sua massa seca. A

água perdida para a atmosfera, pela transpiração, é uma conseqüência inevitável da necessidade de

assimilação do CO2 atmosférico, pela fotossíntese, pois, quando a planta abre os estômatos para a

aquisição do CO2, ocorre a perda de água pela transpiração (Hsiao & Xu, 2000). Em dias quentes e

ensolarados, mesmo em um campo irrigado, a transpiração pode causar uma murcha transiente no

meio do dia e, com o dessecamento do solo, ela pode causar a murcha permanente e morte por

desidratação, se a umidade do solo não for reposta por chuvas ou por irrigação. No mundo,

provavelmente mais plantas sofrem injúrias ou morrem por desidratação causada pela transpiração

excessiva que por nenhum outro único fator (Kramer & Boyer, 1995).

Unidade 04: Nutrição Mineral

4.1 O solo como fornecedor de nutrientes

Um vegetal não se desenvolve normalmente se não obtiver os nutrientes que são necessários para o

seu crescimento. Os elementos minerais essenciais são: nitrogênio, fósforo, potássio, cálcio,

magnésio, enxofre, boro, cloro, ferro, manganésio, zinco, cobre, molibdênio e níquel. Os elementos

não minerais essenciais, (elementos captados como gás ou água) são: hidrogênio, oxigênio e carbono.

Os elementos benéficos, são os que promovem o crescimento em várias plantas, mas que não são

absolutamente necessários para que se complete o ciclo de vida da planta, ou que não age diretamente

na planta: sílica, sódio, cobalto e selênio.

Ver:https://www.embrapa.br/documents/1355291/11618815/Fertilidade+do+Solo+-+Fundamentos+de+Algumas+Pr%C3%A1ticas+II.pdf/56254f5a-4231-46cf-beb4-395b0117df50?version=1.1

Além dos elementos gasosos obtidos da atmosfera, as plantas também necessitam absorver água e

elementos minerais, provenientes do solo. Essas substâncias, necessárias às reações químicas que

ocorrem nos vegetais, são extraídas do solo pelas raízes e distribuídas através da planta pelos sistemas

de condução. Após absorvidos e transportados, os nutrientes podem ser utilizados na fotossíntese, na

síntese de aminoácidos, vitaminas, enzimas e outras substâncias do metabolismo. O solo não tem

como única função fornecer os elementos químicos necessários aos vegetais. Ele também está

envolvido na sustentação das plantas e no armazenamento de água, além de propiciar um ambiente

gasoso conveniente para o desenvolvimento do sistema radicular. O solo contribui com três

componentes fundamentais para o crescimento das plantas: a estrutura, propiciada por seus diferentes

constituintes físicos (areia, silte e argila), a água e o ar. Os nutrientes inorgânicos utilizados pelas

plantas podem ser derivados da atmosfera. Todavia, as rochas da crosta terrestre constituem a fonte

principal e, pela ação do intemperismo, liberam os elementos minerais para a solução do solo. A ação

do intemperismo faz com que as rochas ígneas sejam decompostas liberando componentes solúveis

(nutrientes) e insolúveis que transportados pelo vento ou pela água, formam depósitos em outros

lugares, originando as rochas sedimentares. As rochas metamórficas, por sua vez, se originam de

outras rochas submetidas a grandes pressões e temperaturas. Estudos realizados a partir da década de

50 resultaram no estabelecimento dos critérios de essencialidade dos elementos minerais. Para que

um elemento mineral seja incluído nessa lista, ele deve atender a três critérios: 1) na ausência do

elemento, a planta não completa o seu ciclo de vida; 2) o elemento não pode ser substituído por

nenhum outro e; 3) o elemento deve ter efeito direto na vida da planta e não apenas exercer o papel

de, com a sua presença no meio, neutralizar efeitos físicos, químicos ou biológicos desfavoráveis para

a planta. A partir de vários estudos, treze elementos minerais provenientes do solo (excluindo os

elementos provenientes da água, do oxigênio e do gás carbônico) são atualmente considerados

essenciais. Esses elementos foram reunidos em duas classes: macronutrientes e micronutrientes. Essa

separação considera critérios quantitativos, ou seja, os macronutrientes são necessários em maior

quantidade e, por isso, são encontrados em maior quantidade nos tecidos das plantas. Por sua vez, os

micronutrientes são necessários em menor quantidade e também são encontrados em menor

quantidade nos tecidos das plantas. Os macronutrientes incluem seis elementos (N, P, K, Ca, S e Mg)

e os micronutrientes outros sete (B, Cl, Fe, Mo, Zn, Cu, Ni). Os sintomas de deficiência mineral nas

plantas dependem de dois fatores principais: da função ou funções dos elementos minerais no

metabolismo e da facilidade ou dificuldade de transporte dos elementos das folhas mais velhas para

as partes mais novas da planta através do floema. Os elementos minerais são divididos em três grupos

considerando a sua mobilidade no floema: a) móveis: N, P, K, Mg e Cl; b) mobilidade intermediária:

Mn, Zn, Cu, Mo e S; c) imóveis: Fe, Ca e B. O nutriente mineral deve entrar no simplasto para exercer

suas funções no metabolismo vegetal. No entanto, para entrar em um ambiente encerrado por

biomembranas, o nutriente deve passar por, pelo menos, uma delas, a membrana plasmática. Esta

membrana oferece resistência à passagem de nutrientes minerais tanto na forma catiônica quanto na

aniônica, conforme ocorrem e são absorvidos. A fase lipídica apolar da membrana plasmática oferece

alta resistência à passagem desses cátions e ânions. Também devido à fase polar da plasmalema,

cátions e ânions têm dificuldades para atravessá-la, pois eles interagem com os pólos dessa

biomembrana, ficando aí adsorvidos. Os pólos da membrana plasmática e de outras biomembranas

são condicionados pela presença de átomos ou moléculas ligados aos lipídios, tais como fósforo

(formando fosfolipídios), enxofre (sulfolipídios) ou, ainda, açúcares (glicolipídios). Em função disso,

existem vários facilitadores de entrada dos nutrientes minerais através das biomembranas

(carregadores e canais iônicos).

Do ponto de vista quantitativo, o solo é o meio menos importante no fornecimento de elementos às

plantas; entretanto, é o mais facilmente modificável (torná-lo produtivo) pelo homem, tanto no

aspecto físico (aração, gradagem, drenagem) quanto no químico (calagem e adubação). E a calagem

e a adubação são a maneira mais rápida, mais barata e maior de que se dispõe para aumentar a

produção de alimentos, fibras e energia. Como o homem come planta ou planta transformada e a

planta tem que se alimentar, somente alimentando a planta adequadamente é possível alimentar o

homem e ainda fornecer-lhe energia alternativa e a vestimenta que necessita. E isto justifica por que

estudar Nutrição Mineral de Plantas. Portanto, o estudo da Nutrição Mineral de Plantas tem muita

relação com o da Fertilidade do Solo e com o da Fertilidade do Solo com o de Adubos e Adubação

Como visto, o solo é o meio que atua como reservatório de minerais necessários às plantas. O esquema

abaixo é uma visão geral de compartimentos e vias de comunicação ou de transferência de um

elemento (M), geralmente um nutriente de planta. O sistema é aberto em que os M são constantemente

removidos de um lado, a uma fase sólida (reservatório) e acumulados no outro, a planta.

4.2 Absorção e transporte de íons

Algumas definições são necessárias: Absorção – processo pelo qual o elemento M passa do substrato

(solo, solução nutritiva) para uma parte qualquer da célula (parede, citoplasma, vacúolo). Transporte

ou translocação – é a transferência do elemento, em forma igual ou diferente da absorvida, de um

órgão ou região de absorção para outro qualquer (p. ex. da raíz para a parte aérea). Redistribuição –

é a transferência do elemento de um órgão ou região de acúmulo para outro ou outra em forma igual

ou diferente da absorvida (p. ex, de uma folha para um fruto; de uma folha velha para uma nova).

Pensou-se durante muito tempo que os elementos contidos na solução do solo fossem absorvidos por

simples difusão, caminhando a favor de um gradiente de concentração, indo de um local de maior (a

solução externa) para outra de menor (o suco celular) concentração. Quando, entretanto, comparam-

se as análises do suco celular com a do meio em que viviam diferentes espécies, verificou-se que, de

modo geral, a concentração interna dos elementos era muito maior daquela do meio externo e que

havia uma certa seletividade na absorção dos elementos. A absorção iônica é caracterizada por:

Seletividade – certos elementos minerais são absorvidos preferencialmente; Acumulação – a

concentração dos elementos, de modo geral, é muito maior no suco celular do que na solução externa;

Genótipo – existem diferenças entre espécies de plantas nas características de absorção. Assim,

algumas questões podem ser formuladas: como a célula ou a planta regula a absorção iônica? Como

os íons ultrapassam as membranas plasmáticas (plasmalema e tonoplasto) e contra um gradiente de

concentração?

A capacidade de troca de cátions (CTC) é o parâmetro mais importante da fertilidade do solo, pois a

maioria dos metais do solo forma íons positivos (cátions) que se ligam (adsorvem) mais facilmente

às partículas de argila (matriz do solo), predominantemente carregadas com cargas negativas. Essa

ligação é fundamental, pois os cátions ficam retidos (por adsorção) às partículas do solo, evitando a

lixiviação. Porém, os ânions são “repelidos” pelas cargas negativas presentes nas partículas de argila

(com exceção do fosfato que forma precipitados insolúveis no solo), sendo mais facilmente lixiviados

e carreados até o lençol freático, o que pode causar a poluição de rios e de reservatórios de água. A

estrutura cristalina das partículas do solo é constituída, sobretudo, por átomos de oxigênio, silício,

alumínio ou magnésio. Nessa estrutura cristalina, os átomos de oxigênio ficam voltados para fora e,

como são mais eletronegativos, a densidade da nuvem eletrônica é maior na eletrosfera do oxigênio,

formando aí, pólos negativos. A origem das cargas negativas na superfície das partículas de argila é

a substituição isomórfica do Al3+ e do Si4+ (alumino-silicatos). Os cátions adsorvidos às partículas de

argila são trocados por outros cátions mantidos na solução do solo ou na superfície das raízes,

estruturas que também apresentam predominantemente cargas negativas em decorrência da

dissociação do H + dos ácidos carboxílicos e de compostos fenólicos das microfibrilas de celulose.

Esse processo envolve troca catiônica e, portanto, a CTC reflete o nível de fertilidade do solo.

COMO COLOCAR EM PRÁTICA A APRENDIZAGEM TEÓRICA?

AS RELAÇÕES ENTRE NUTRIÇÃO MINERAL, FERTILIDADE DO SOLO E

ADUBAÇÃO

A adubação pode ser definida como a adição de elementos (nutrientes) de que a planta necessita para

viver, com a finalidade de obter colheitas compensadoras de produtos de boa qualidade nutritiva ou

industrial, provocando-se o mínimo de perturbação no ambiente. Em resumo, sempre que o

fornecimento dos nutrientes pelo solo (reservatório) for menor que a exigência da cultura, torna-se

necessário recorrer ao uso de adubos.

Segundo MALAVOLTA (1987), qualquer que seja a cultura, quaisquer que sejam as condições de

solo e de clima, na prática da adubação procura-se responder a sete perguntas:

1) quê? qual nutriente está deficiente;

2) quanto? quantidade necessária;

3) quando? época em que deve ser fornecido;

4) como? maneira como tem que ser aplicado;

5) pagará? aspecto econômico;

6) efeito na qualidade do produto?

7) efeito na qualidade do ambiente?

A resposta a cada pergunta demanda experimentação e pesquisa nas áreas de nutrição mineral,

fertilidade do solo e adubação. Os conhecimentos adquiridos serão difundidos e aplicados pelo

agricultor; novas indagações estabelecerão um mecanismo de realimentação. (MALAVOLTA, 1976).

ATIVIDADES. COMO COLOCAR EM PRÁTICA?

Objetivos

Evidenciar a capacidade de adsorção de cargas dos solos, sobretudo de cátions, devido à polaridade

negativa na superfície das partículas. Relacionar a capacidade de adsorção de cátions com a nutrição

mineral das plantas. Demonstrar o comportamento do solo como matriz capaz de reter os elementos

minerais para as plantas.

Materiais

Provetas de vidro de 100 ml

Funis de vidro ou de PVC

Béqueres

Bastão de vidro

Areia (fina e branca de preferência)

Corante carregado positivamente [azul de metileno 0,1 e 0,01% (p/v)]

Corante apolar [eosina 0,01% (p/v)]

Algodão

PROCEDIMENTOS

Prepare soluções aquosas dos corantes azul de metileno e eosina (300 ml de cada solução) em

recipientes diferentes e nas concentrações especificadas. Essas soluções devem ser um pouco

translúcidas. Coloque um pedaço de algodão no início das hastes dos funis para evitar que a areia fina

escorra para fora. Encha funis de vidro ou de PVC com volumes iguais de areia fina. Suspenda cada

funil com o auxílio de uma proveta. Reserve um volume de 200 ml de cada corante em dois béqueres.

Em um terceiro béquer, faça uma mistura de volumes iguais (100 ml de azul de metileno 0,01% e

100 ml de eosina 0,01%) dos dois corantes. Com um bastão de vidro, abra um pequeno espaço no

centro da areia contida no funil e derrame lentamente o corante reservado no béquer. Utilize um funil

com areia para cada corante. Observe as cores das soluções derramadas no funil e as cores das

soluções coletadas nas provetas. Observe também a cor que a matriz do solo vai assumindo conforme

a solução é coletada na proveta. Adicionalmente, poderá ser testada uma solução mais concentrada

de azul de metileno (0,1%).

PERGUNTAS DA ATIVIDADE

1. Como funciona a adsorção?

2. Porque a CTC é considerada o parâmetro mais importante da fertilidade do solo?

3. Explique porque a eosina não foi adsorvida pela matriz do solo, sendo quase que integralmente

recolhida na proveta.

4. Explique as diferenças encontradas quando foram utilizadas as duas concentrações de azul de

metileno.

5. Por que as adubações nitrogenadas e as contendo enxofre devem ser parceladas? 6. Que analogia

você faz entre os resultados da prática e a realização de adubações pesadas nos solos?

4.3 Conceito de elemento essencial, de macro e micronutrientes

Somente a análise química da planta não é suficiente para o estabelecimento da essencialidade de um

elemento. As plantas absorvem do solo, sem muita discriminação, os elementos essenciais, os

benéficos e os tóxicos, podendo estes últimos, inclusive, levá-las à morte. “Todos os elementos

essenciais devem estar presentes nos tecidos das plantas, mas nem todos os elementos presentes são

essenciais”. Segundo MALAVOLTA, 1980.Um elemento é considerado essencial quando satisfaz

dois critérios de essencialidade: Direto - o elemento participa de algum composto ou de alguma

reação, sem o qual ou sem a qual a planta não vive; Indireto - trata-se basicamente de um guia

metodológico: na ausência do elemento a planta não completa seu ciclo de vida; o elemento não

pode ser substituído por nenhum outro; o elemento deve ter um efeito direto na vida da planta e não

exercer apenas o papel de, com sua presença no meio, neutralizar efeitos físicos, químicos ou

biológicos desfavoráveis para a planta. Além do C, O e H (orgânicos), treze elementos (minerais) são

considerados essenciais para o desenvolvimento das plantas, sendo estes divididos por aspectos

puramente quantitativos em dois grupos: Macronutrientes: N, P, K, Ca, Mg e S, e Micronutrientes:

B, Cl, Cu, Fe, Mn, Mo e Zn. Alguns elementos podem afetar o crescimento e desenvolvimento das

plantas, embora não se tenha determinado condições para caracterizá-los como essenciais.

MARSCHNER (1986) inclui nesta categoria o sódio, silício, cobalto, níquel, selênio e alumínio. O

Co é essencial para a fixação biológica do N2 em sistemas livres e simbióticos (MARSCHNER,1986)

e a essencialidade do Si (TAKAHASHI & MIYAKE,1977) e do Ni (BROWN et al.,1987) tem sido

proposta. Os macronutrientes têm, em geral, seus teores expressos em percentagem (%) e os

micronutrientes em partes por milhão (ppm), todos na forma elementar. A única distinção na

classificação entre macro e micronutrientes é a concentração exigida pelas plantas. Os

macronutrientes ocorrem em concentrações de 10 a 5.000 vezes superior à dos micronutrientes.

EPSTEIN (1975) apresentou as concentrações médias dos nutrientes minerais na matéria seca,

suficientes para um adequado desenvolvimento das plantas; embora deve-se ter presente, porém, que

muita variação existe dependendo da planta e do órgão analisado.

4.4 Função dos elementos essenciais

Uma explicação para os macronutrientes serem requeridos em quantidades elevadas é o fato deles

fazem parte de moléculas essenciais para o vegetal, ou seja, possuem um papel estrutural. Por outro

lado, os micronutrientes estão mais relacionados à ativação de certas enzimas, sendo esse um papel

regulatório. O nitrogênio e o fósforo possuem forte papel estrutural fazendo parte dos nucleotídeos,

os quais formam os ácidos nucléicos (DNA e RNA). Além disso, o nitrogênio está presente nos

aminoácidos que formam as proteínas e na própria molécula de clorofila. Dois dos aminoácidos

considerados essenciais (metionina e cisteína) são formados por enxofre. O potássio apesar de ser um

macronutriente não é um componente estrutural. Contudo ele está presente em altas concentrações no

suco celular regulando o potencial osmótico e o balanço iônico. Esse nutriente também está envolvido

no controle do movimento estomático. O cálcio possui um papel estrutural (está presente nos pectatos

de cálcio que compõem a lamela média) e um grande papel na regulação do metabolismo da planta.

Ele normalmente atua como mensageiro secundário ativando uma proteína chamada calmodulina, a

qual, por sua vez, ativa uma série de enzimas. O magnésio está presente na molécula da clorofila,

juntamente com o nitrogênio. O magnésio também faz parte de muitas metaloenzimas, ou seja, as

enzimas que possuem um metal em sua estrutura. Os micronutrientes possuem um papel mais

regulatório que estrutural. Desse modo, o ferro faz parte de enzimas relacionadas com os processos

de oxidação e redução e das enzimas responsáveis pela síntese da clorofila. O molibdênio é cofator

da enzima nitrato redutase. O zinco também faz parte de várias enzimas e inclusive daquelas

relacionadas com a síntese do aminoácido triptofano. O boro é importante para os processos de

divisão e alongamento celular. Acredita-se que ele influencie esses processos alterando o nível de um

hormônio vegetal, a auxina, através da ativação de enzimas que oxidam esse hormônio. Por fim, os

outros micronutrientes como o manganês, o cobre, o cloro e o níquel também estão envolvidos na

regulação da atividade de várias enzimas.

Na Prática A Nutrição Mineral e Qualidade dos Produtos Agrícolas

QUAL O EFEITO DOS NUTRIENTES NA QUALIDADE DOS PRODUTOS AGRÍCOLAS?

Os nutrientes desempenham funções estruturais (componente de compostos orgânicos), participam

como constituintes e na ativação enzimática da planta. Portanto, os minerais estão envolvidos em

todos os processos metabólicos (tanto catabólico quanto anabólico) das plantas, bem como, atuam na

regulação osmótica do vegetal. Sendo assim, a nutrição mineral da planta está envolvida diretamente

na sua produtividade e na qualidade do produto obtido. Deve-se lembrar também que, à exceção do

Boro, todos os outros elementos essenciais às plantas, também o são aos animais e ao homem. A

seguir, serão apresentados alguns exemplos para algumas culturas exploradas no País, que

demonstram a relação entre a nutrição mineral e a qualidade dos produtos agrícolas, sem no entanto

pretender fazer aqui uma revisão exaustiva a respeito do assunto.

http://www.nutricaodeplantas.agr.br/site/downloads/unesp_jaboticabal/livro_diagnosefoliaremhorta

licas_cap2.pdf

Efeito sobre tubérculos, raízes e produtoras de açúcar

O potássio é um nutriente particularmente exigido pelas plantas produtoras de carboidratos, visto as

suas funções no metabolismo, citando-se a sua participação no processo fotossintético, transporte dos

carboidratos da fonte (folhas) para o reservatório (tubérculo, colmo, etc) e ativador da enzima

sintetase do amido. Considerando uma produção de 40 t/ha, o aumento de 1% no teor de amido,

significa 400 kg/ha de amido adicionais. Além disso, a produtividade aumenta, reduzindo a taxa de

tubérculos refugos de baixo valor comercial. Mas, de acordo com MENGEL & KIRKBY (1987)

doses muito pesadas de K (> 800 kg K2O/ha) podem reduzir o teor de carboidratos na batata,

particularmente se a fonte utilizada for o KCl. http://www.nutricaodeplantas.agr.br/site/downloads/unesp_jaboticabal/livro_diagnosefoliaremhortalicas_cap2.pdf

A qualidade industrial da batata também é afetada pela nutrição potássica. O escurecimento da

batatinha quando cortada e exposta ao ar ou ao fritar na produção do “chips” é devido ao acúmulo de

dihidroxifenilanina, um derivado do aminoácido tirosina, que se acumula na planta deficiente em K.

Outras tuberosas nas quais os carboidratos são os principais compostos de reserva, como a batata-

doce, mandioca, inhame (Discorea sp) e outras, respondem similarmente à nutrição potássica. Em

mandioca, tem sido relatado que a adubação potássica, não só aumenta o teor de amido nas raízes,

mas também diminui o do venenosso glicosídeo cianogênico. Em cana-de-açúcar, resultados de

pesquisas têm mostrado uma estreita relação entre o conteúdo de K nos colmos com a produção de

açúcar, açúcares totais, percentagem de sacarose e pureza do caldo e uma relação inversa com os

açúcares redutores. Observa-se que no teor mais elevado, mesmo reduzindo a produtividade de

colmos, a produtividade de açúcar (t / ha) foi compensada pela melhora na qualidade. Por outro lado,

um elevado teor de K na planta, também provoca efeitos negativos na fabricação do açúcar, devido

aumentar o teor de cinzas, que dificulta a cristalização. Mas, este efeito é favorável na fabricação de

álcool, pois os constituintes da cinza do caldo agem como fonte de nutrientes para o processo

fermentativo, aumentando a velocidade de desobramento dos açúcares em álcool. O teor de P no

caldo também é importante no processo industrial da cana, pois o mesmo está envolvido no processo

de clarificação. A adubação nitrogenada na cana está, normalmente, associada a um maior

crescimento vegetativo e, portanto, maior umidade da cana. Vários autores reconhecem que a

adubação nitrogenada pode reduzir o teor de sacarose dos colmos, devido ao aumento do teor de

umidade. Cita-se também, que o N força a vegetação e a produção de aminoácidos e proteínas,

reduzindo o “Pol % cana” e elevando a percentagem de açúcares redutores.

Efeito sobre produtoras de grãos (cereais e oleaginosas) Os cereais trigo, milho e arroz são fontes importantes de carboidratos e proteínas na alimentação

humana e os seus teores e qualidade estão também relacionados com a nutrição mineral da planta.

Comparando com os grãos das leguminosas o teor de proteínas nos cereais é bastante baixo.

O trigo contém de 9 - 15% do peso seco como proteínas, o que é bastante baixo, e o aumento nestes

valores é algo desejável para a melhoria na qualidade da alimentação humana, bem como nas

características de panificação. Nas proteínas dos cereais, os aminoácidos lisina, treonina e triptofano,

essenciais para o homem, estão presentes em pequenas quantidades. Como o N faz parte dos

aminoácidos e proteínas, as adubações nitrogenadas, normalmente, aumentam a produtividade e os

teores protéicos nos cereais. A aplicação de N no trigo, nas doses de 40 ou 60 kg/ha em cobertura na

época do florescimento, aumentou tanto a produtividade quanto a sua qualidade, expressa em teor de

proteína e qualidade de panificação.

ftp://ftp.ibge.gov.br/Producao_Agricola/Levantamento_Sistematico_da_Producao_Agricola_%5Bm

ensal%5D/Comentarios/lspa_201512comentarios.pdf

Dentre os cereais, o arroz é o que apresenta o mais baixo teor de proteínas (+ 8,5%). Cerca de 90%

do grão de arroz polido é constituído de carboidratos e proteína. No Brasil, o aspecto físico e a

aparência são os principais indicadores da qualidade do arroz, independente do valor nutricional do

produto. Estas características são tamanho do grão, translucidez, forma e percentagem de grãos

inteiros. Como valor nutricional, citam-se as propriedades do amido e o teor de proteína, além de

outros constituintes encontrados em menores quantidades como vitaminas e sais minerais; estes

constituintes são muito afetados pela adubação mineral devido à influência que cada nutriente exerce

nos processos bioquímicos e fisiológicos na planta. Como o valor nutritivo de uma proteína está na

dependência de sua composição em aminoácidos essenciais, pode-se dizer que o arroz possui uma

proteína de boa qualidade, devido seu teor relativamente alto de lisina. Nos outros cereais, a proteína

é pobre em lisina que é o primeiro aminoácido essencial em cereais. O arroz responde bem à adubação

nitrogenada. Análises do teor de proteína em seis linhagens cultivadas nas Filipinas indicaram

aumentos médios de 7,2 a 9,5% quando o nível de N variou de 0 a 150 kg N/ha. Aumentos no teor de

proteína não refletem necessariamente num melhor balanço de aminoácidos essenciais. Em geral,

quando ocorre um aumento no teor de proteína, diminui o conteúdo de lisina. O beneficiamento e o

polimento do arroz retira grande parte da proteína do grão. O aumento das doses de N promovem um

incremento na produção de proteína (kg/ha) em três cultivares de arroz irrigado. O rendimento de

proteína e os teores de lisina e treonina, quando o arroz foi beneficiado, foi muito menor do que os

do arroz integral, o que se explica pelo beneficiamento que retira grande parte da proteína do grão.

http://periodicos.uem.br/ojs/index.php/ActaSciAgron/article/download/2050/1607/0

Parece que os efeitos do K na qualidade do arroz são indiretos, por exemplo, possibilitando um maior

período de enchimento dos grãos com assimilados. Alguns resultados têm mostrado que o aumento

das doses de K não influenciou o teor de proteína no arroz. O S faz parte de importantes aminoácidos

essenciais (cisteína e metionina). A deficiência de S pode reduzir o teor desses aminoácidos nos grãos,

o que diminui o valor nutritivo do produto. Diversos trabalhos demostram que o aumento no teor de

proteínas no milho e no sorgo, com a adubação nitrogenada, na maioria das vezes, está ligado ao

aumento da zeina, uma proteína do grupo das prolaminas, de baixa qualidade nutritiva. A adubação

nitrogenada aumenta a produtividade e o teor protéico no milho, mas de maneira geral, ocorrem

alterações no equilíbrio de aminoácidos. Outros nutrientes também afetam a produção total e a

qualidade das proteínas nos cereais. Portanto, uma adubação balanceada é essencial para aumentar a

qualidade e a qualidade protéica nos grãos: interações neste sentido têm sido observadas com o N x

K x N x S. Com relação ao P, é mais aceitável o aumento na produção de proteína por área (kg/ha)

em consequência do aumento de produção, do que aumento no teor protéico, como observado no caso

da adubação nitrogenada. O feijão (Phaseolus vulgaris L.) é um dos alimentos básicos na dieta do

povo brasileiro, sendo considerado como a principal fonte de proteína sob o aspecto quantitativo e

ocupando o terceiro lugar em termos de fornecimento de energia (11,1%), sendo apenas suplantado

pelo arroz (24,2%) e açúcar (14,2%), da necessidade diária em calorias pela população brasileira

(SGARBIERI, 1987). Em 150 cultivares existentes na coleção do instituto agronômico de Campinas,

verificou-se que o teor de proteína bruta (% N x 6,25) variou de 19,0 a 34,0%, com média de 25%. A

quantidade da proteína do feijão, do ponto de vista nutricional, é afetada negativamente pelo baixo

conteúdo de aminoácidos sulfurados (metionina e cistina), por outro lado, é rica em lisina. Já os

cereais (milho, trigo) são pobres em lisina, entretanto apresentam níveis adequados dos aminoácidos

sulfurados, o que permite o equilíbrio na alimentação básica do brasileiro. O feijão fornece ainda

vitaminas (B1, B2, niacina) e sais mineais como o K, P, S, Na, Ca, Mg, Fe.

O comportamento dos teores de proteína no feijão em relação à adubacão nitrogenada tem sido

variado (ARF, 1989). O aumento da produtividade sempre ocorre com a adubação nitrogenada, mas

os teores de proteína, em alguns trabalhos, mostram correlação positiva e em outros negativa. É

interessante conhecer além da composição protéica, a proporção dos aminoácidos essenciais. O

aumento da dose de N promove variações nos teores dos aminoácidos componentes da proteína. A

maior dose de N aplicada (100 kg/ha) promoveu aumento nos teores de lisina, cistina e leucina na

proteína dos grãos, enquanto os teores de valina, treonina e metionina diminuíram e os demais pouco

variaram.

A soja é outra leguminosa muito importante na alimentação humana e uma excelente fonte de protéina

e calorias. Apesar de maior quantidade em termos de qualidade, a proteína da soja é inferior à dos

animais, apresentando, tal como o feijão, baixo teor de aminoácidos sulfurados – metionina e cistina.

A soja apresenta um alto teor de aminoácidos sulfurados – metionina e cistina A soja apresenta um

alto teor de óleo, sendo uma excelente fonte de energia ao organismo. Além disso, é uma razoável

fonte de minerais como o Fe, Na e K, bem como de vitaminas.

Dado às suas funções no metabolismo das proteínas e dos lipídeos a aplicação principalmente de N,

P, K e S aumentam a produtividade da soja, bem como as suas qualidades protéica e calórica são

afetadas. A aplicação de doses crescentes de N, em geral, diminui o teor de óleo e faz amentar o de

proteína nos grãos. O aumento das doses de P2O5 comumente faz subir o conteúdo de óleo. Tem-se

observado uma relação inversa entre os teores de óleo e de proteína na soja. Para a adubação potássica

este fato tem sido destacado: há um aumento no teor protéico do grão e uma diminuicão no de óleo.

Tem-se observado uma relação inversa entre os teores de óleo e de proteína na soja. Para a adubação

potássica este fato tem sido destacado: há um aumento no teor protéico do grão e uma diminuição no

óleo. Este fato pode ser entendido pela participação do K no processo de síntese protéica nas plantas,

como visto no ítem referente às funções do N.A calagem também afeta a produtividade e a qualidade

da soja. Recentemente TANAKA et al. (1991) mostraram o efeito da calagem na produção de proteína

e de óleo pela soja cultivada nas Estações Experimentais de Ribeirão Preto e Mococa no Estado de

São Paulo.

Efeito sobre as hortaliças e frutas Para as hortaliças, além da qualidade nutricional – que o consumidor não tem como avaliar – a

aparência externa é de crucial importância para a comercialização e aceitabilidade do produto. E a

nutrição mineral está bastante relacionada com estas características. Alguns exemplos dos mais

comuns serão, a seguir, apresentados. A “podridão apical” ou “fundo preto”, lesão que ocorre no fruto

de tomate durante o período de crescimento e que hoje leva a grandes perdas de produção, é um dos

problemas mais comuns nesta cultura. Hoje, sabe-se que esta anomalia trata-se de deficiência do

elemento no meio ou induzida por outros fatores como a umidade do solo, disponibilidade elevada

de N, K, Mg e Na, uso de fontes de N-NH4+ (amoniacal), intensidade de transpiração foliar, cultivar,

dentre outras.

O N é o nutriente mais exigido pelas culturas, portanto, é aplicado em doses elevadas. E isso, tem

trazido preocupações sob dois aspectos: o primeiro, pela contaminação de águas subterrâneas e dos

mananciais e, a segunda, pela elevação dos teores de N-NO3

- (nitrato) nos alimentos, principalmente naqueles de consumo “in natura”como as hortaliças e as

frutas. O NO 3 ingerido com os alimentos, no trato digestivo pode ser reduzido para N-NO2 - (nitrito),

que na corrente sanguínea combina-se com a hemoglobina, formando a forma inativa denominada de

metahemoglobina, trazendo problemas de asfixia ao organismo. Também, o N-NO2 pode levar à

produção de nitrosaminas, as quais são cancerígenas e mutagênicas. Muitos fatores levam ao acúmulo

de N-NO3 nos vegetais citando-se o nível de N-NO3 - no meio de cultivo, a baixa intensidade

luminosa, hora de colheita do produto, deficiência de molibdênio, etc. Em vegetais, particularmente

em espinafre, um conteúdo de 2 mg NNO /g de matéria seca é considerado como um nível crítico;

em forrageiras, conteúdos abaixo de 4 mg N-NO3 /g matéria seca são aceitáveis (MENGEL &

KIRKBY, 1987). Uma estratégia prática importante, seria a colheita das plantas à tarde, a qual

promoveu uma diminuição, em torno de 1% nos teores de NNO3 nos melhores tratamentos. Um outro

exemplo para hortaliças é o chamado superbrotamento do alho, que se caracteriza pela presença de

brotações laterais do bulbo durante os estágios de crescimento, o que deprecia a qualidade comercial

do produto. Esta anormalidade tem sido atribuída à doses elevadas e manejo inadequado da adubação

nitrogenada na cultura. As hortaliças são importantes fontes de vitaminas e sais minerais para a

alimentação humana, os quais são influenciados pela nutrição mineral. Poucas são as informações

encontradas na literatura a respeito do assunto. MULLER & HIPPE (1987) verificaram que os efeitos

dos nutrientes nos teores de vitaminas podem apresentar intensidades bem distintas, dependendo da

espécie. Em alface, ao se alterar o fornecimento de N de 0,75 para 1,5 g/planta, houve um aumento

de 62% no teor de vitamina C, enquanto que em espinafre europeu o incremento foi de apenas 15%.

Já em couve-flor, no mesmo caso, constataram uma redução de 14% no teor desta vitamina.

Verificaram também, que o potássio estimulou a produção de vitamina C nas duas últimas espécies,

ocorrendo o contrário com a alface. Principalmente para hortaliças e frutos, as características visuais

são de extrema importância na comercialização dos produtos.

O tamanho e o número de frutos e o volume de produção aumentam com a elevação dos teores do

elemento nas folhas e a queda de frutos diminui. O esverdeamento, um efeito visual não desejado nos

frutos, aumenta com o acréscimo de N% nas folhas. Com relação à qualidade interna, observa-se que

a percentagem de suco nos frutos diminui à medida que cresce o teor de N nas folhas. A percentagem

de sólidos solúveis, percentagem de ácido no suco, a relação sólidos/ácidos no suco e a concentração

de vitamina C são pouco influenciados pela concentração de N nas folhas. Com relação ao P, o

tamanho dos frutos diminui e a produção aumenta dentro de limites, com o aumento dos níveis de

P% nas folhas. As qualidades internas são mais influenciadas pelo P nas folhas. A percentagem de

suco no fruto, sólido/ácido no suco aumentaram com os teores de P, enquanto que a percenagem de

`solidos solúveis´ e vitamina C no suco diminuem.

O aumento do K% nas folhas aumenta o tamanho, a produção e o número de frutos. No mesmo sentido aumenta o teor de vitamina C e a percentagem de ácido no suco; e diminui a concentração de

sólidos solúveis, percentagem de suco e sólidos/ácido no fruto.

Para os outros nutrientes, um menor volume de estudos são encontrados na literatura, mostrando o

efeito dos mesmos sobre a qualidade dos citros. É citado que a deficiência de Mg pode resultar na

produção de frutos relativamente menores e com menor teor de acidez e vitamina C. Encontram-se

afirmações que a deficiência aguda de Mn pode resultar em redução da produção e na intensidade de

coloração dos frutos enquanto que a sua aplicação promove um aumento no teor de sólidos solúveis

no suco. Para a deficiência de B em citros, relatam-se que os frutos apresentam tamanho reduzido,

mal formados e com exsudação de goma; no albedo e no centro podem aparecer manchas escuras

descritas como bolsas de goma. A percentagem de suco é reduzida e a queda de frutos também é

intensa sob condições de deficiência de B. Para pomares cítricos deficientes em cobre os frutos

produzidos tendem a ser menores e a casca apresenta-se endurecida e com bolsas de goma. Os teores

de sólidos solúveis, acidez e vitamina C tendem a ser signficativamente inferiores.

Unidade 05: Fotossíntese e Fotorrespiração

5.1 Cloroplastos: estrutura e composição química.

Os cloroplastos assim como a mitocôndria também são organelas originadas por endossimbiose.

Cianobatérias fagocitadas passaram a viver em simbiose com células eucariontes que já possuíam

mitocôndrias. Os cloroplastos portanto possuem DNA e RNA próprios, compatíveis com

cianobactérias, capacidade de autoduplicação e metabolismo próprio. Possui uma (1) Membrana

externa, originada do fagossomo da célula eucarionte que fez a endossimbiose original. (2) Membrana

interna, que é a membrana plasmática da cianobactéira. Os mesossomos da cianobactéria se

especializaram em dobras de membrana conhecidas como (3) Tilacoides que podem sofrer mais

dobras originando estruturas denominadas (4). Grana ou Tilacoides de Grana, que possuem aspecto

de moedas, quando várias grana estão empilhadas uma em cima da outra formam uma estrutura

denominada Granum. O citoplasma da cianobactéria é denominado estroma. Nos tilacoides e no

estroma são realizadas as sínteses de oxigênio e glicose.

As moléculas de clorofila encontradas no cloroplasto são as mais abundantes e ficam dispostas nas

membranas internas da organela. Assim, captam a luz do sol com a máxima eficiência, pois é da luz

solar que provém a energia necessária para o processo da fotossíntese. A clorofila confere a cor verde

às folhas dos vegetais e é capaz de absorver energia luminosa e transformá-la em energia química,

que será utilizada no metabolismo. Cada célula dos vegetais possui cerca de 40 cloroplastos, enquanto

as células das algas possuem geralmente apenas um cloroplasto, mas com tamanho bem maior do que

o encontrado nas células vegetais.

5.2 Absorção de luz pelos pigmentos.

As clorofilas são os pigmentos naturais mais abundantes presentes nas plantas, ocorrendo nos

cloroplastos das folhas e em outros tecidos vegetais. Estudos em uma grande variedade de plantas

caracterizaram que os pigmentos clorofilianos são os mesmos. As diferenças aparentes na cor do

vegetal são devidas à sua distribuição nas folhas e à presença variável de outros pigmentos associados,

como os carotenóides, os quais sempre acompanham as clorofilas (VON ELBE, 2000). O nome

clorofila foi proposto por Pelletier e Caventou, em 1818, para designar a substância verde que se

podia extrair das folhas com o auxílio do álcool. Atualmente os pigmentos clorofilianos são de grande

importância comercial, podendo ser utilizados tanto como pigmentos quanto como antioxidantes tão

comerciáveis nos programas de televisão falando do suco de clorofila.

Os pigmentos fotossintéticos presentes e a sua abundância variam de acordo com a espécie. As

clorofilas a e b são abundantes nas plantas verdes, sendo que a clorofila a está presente em todos os

organismos que realizam fotossíntese oxigênica. As clorofilas c e d são encontradas em alguns

protistas (algas vermelhas, feófitas e diatomáceas) e cianobactérias. As bactérias fotossintetizantes

são desprovidas de clorofila a, possuindo em seu lugar a bacterioclorofila como pigmento

fotossintético. A clorofila a é o pigmento utilizado para realizar a fotoquímica (o primeiro estágio do

processo fotossintético, enquanto os demais pigmentos auxiliam na absorção de luz e na transferência

da energia radiante para os centros de reação, sendo assim chamados de pigmentos acessórios. Os

principais pigmentos acessórios clorofilas do tipo b e carotenóides (TAIZ & ZIEGER, 2004). A

clorofila a (coloração verde-azulada) e clorofila b (verde-amarelada), são encontradas numa

proporção média de 3:1, respectivamente. Porém, essa proporção varia com a espécie, idade da folha,

localização da folha na copa da planta. Em plantas umbrófitas (adaptadas à locais sombreados) esta

relação é menor que em plantas heliófilas (adaptadas à condições de alta irradiância) (TAIZ &

ZIEGER, 2004).

A sua estrutura molecular das clorofilas é constituída por quatro anéis pirrólicos, um átomo central

de magnésio ligado a quatro átomos de nitrogênio e uma longa cadeia lateral de isoprenóide, um

álcool fitol esterificado. A estrutura de anel contém alguns elétrons fracamente ligados e é a parte da

molécula envolvida em transições de elétron e reações de redução. A cadeia lateral serve para ancorar

a clorofila à porção hidrofóbica de seu ambiente. A clorofila a se caracteriza por apresentar um grupo

metil ligado ao carbono 3 do anel 2, enquanto que a clorofila b, este grupo metil é substituído por um

grupo aldeído. A clorofila b é convertida em clorofila a através de uma enzima chamada clorofila a

oxigenase, que catalisa a conversão do grupo metil ao grupo aldeído (XU et al., 2001).

As clorofilas localizam-se nos cloroplastos, sendo esta organela responsável pela fotossíntese, isto é,

onde ocorrem as duas reações importantes: a fotoquímica, nas membranas dos tilacóides e a

bioquímica, no estroma do cloroplasto. Tais organelas, além das clorofilas, contêm outros pigmentos

chamados acessórios, como os carotenóides (carotenos e xantofilas).

Além de diferenças na estrutura molecular, as clorofilas também diferem em relação às bandas de

absorção. A clorofila a apresenta dois picos de absorção: na região do azul-violeta e na região do

vermelho, sendo os comprimentos de ondas iguais a 440 e 675 nm, respectivamente. A clorofila b

apresenta, em função de sua estrutura relativamente diferente da clorofilas a, uma banda de absorção

na região do azul-violeta (453nm) e outra na região do vermelho (675nm) (GOVINDJEE, 1969).

Os carotenóides compreendem uma família de compostos naturais, dos quais mais de 600 variantes

estruturais estão reportadas e caracterizadas, a partir de bactérias, algas, fungos e plantas superiores.

A produção natural mundial é estimada em 100 milhões de toneladas por ano, e é encabeçada pela

fucoxantina das algas fotossintéticas marrons. Os carotenóides mais comumente encontrados nos

vegetais são: o b-caroteno (cenoura; Daucus carota), licopeno (tomate; Lycopersicum esculentum),

várias xantofilas (zeaxantina, luteína e outras estruturas oxigenadas do milho, Zea mays; da manga,

Mango indica; do mamão, Carica papaya) e a bixina (aditivo culinário e corante dérmico usado por

indígenas amazônicos, obtido do urucum, Bixa orellana) (BRITTON et al.,1995). Os carotenóides

são tetraterpenóides de 40 carbonos unidos por unidades opostas no centro da molécula (FRASER &

BRAMLEY,2004). Ciclização, hidrogenação, desidrogenação, migração de duplas ligações,

encurtamento ou alongamento da cadeia, rearranjo, isomerização, introdução de funções com

oxigênio ou a combinação destes processos resultam na diversidade de estruturas dos carotenóides

(DELGADO-VARGAS, 2000). Os carotenóides compostos somente de carbono e hidrogênio são

chamados de carotenos e os carotenóides oxidados, as xantofilas, apresentam grupos substituintes

com oxigênio, como hidroxilas, grupos ceto e epóxi (DELGADO-VARGAS, 2000; OLIVIER &

PALOU, 2000).Os carotenóides normalmente apresentam duas a três bandas de absorção localizadas

na região do azul-violeta do espectro.Por exemplo, o β-caroteno dissolvido em hexano, apresenta uma

banda de absorção na faixa de 430, 450 e 480 nm (GOVINDJEE, 1969).

5.3 Conceito de fotossistemas.

Os fotossistemas são complexos fotoquímicos conhecidos como fotossistemas I e II (PSI e PSII),

que apesar de sua separação espacial trabalham em série, através do transporte de elétrons, para a

realização das reações de armazenamento de energia da fotossíntese.

Fotossistema II (PSII) O centro de reação do fotossistema II, suas clorofilas e as proteínas da cadeia de transporte de elétrons

associadas estão localizados predominantemente nas lamelas granais. Ao ser excitada por um quanta

de luz, a molécula de clorofila é ligada à uma proteína específica, presente no centro de reação, doa

seu elétron até a feofitina (que é uma clorofila modificada, o Mg2+ é substituído por 2H+) que o

transfere até a plastoquinona, e desta até o citocromo “b”, que por sua vez, repassa-o até o citocromo

“f” e, finalmente até a plastocianina. A plastocianina é a doadora imediata de elétrons para as

“vacâncias” eletrônicas no P700. Na oxidação de duas moléculas de água produz-se quatro elétrons.

Os prótons produzidos pela oxidação da água devem ser capazes de se difundir para a região do

estroma, onde o ATP é sintetizado. As “vacâncias” eletrônicas no centro de reação P680 são

reocupadas por elétrons removidos da água.

Fotossistema I (PSI) O centro de reação do PS-I está composto de um complexo de multiproteínas. A clorofila de centro

de reação que são ligadas P700 e aproximadamente 100 clorofilas de antena de caroço a duas

proteínas, PsaA e PsaB, com massas moleculares na gama de 66 a 70 kDa. Os complexos de centro

de reação do PS-I estiveram isolados de vários organismos e acharam conter as 66 a 70 proteínas de

kDa, junto com um número variável de proteínas menores na gama de 4 a 25 kDa. Algumas destas

proteínas servem como locais que ligam para o plastocianina de portadores de elétron solúvel e

ferredoxina. Não são entendidas bem as funções de algumas das outras proteínas. Uma proteína de

8kDa contém alguns dos centros de ferro-enxofre encadernados que servem como aceptores de

elétron cedo no fotossistema I. Na sua forma reduzida, os portadores de elétron que funcionam na

região de aceptor do fotossistema I são todos agentes redutores extremamente fortes. Estas espécies

reduzidas são muito instáveis e assim difíceis de identificar. Aceptores de elétron adicionais incluem

uma série de três proteínas de ferro-enxofre associadas a membrana, ou ferredoxinas, também

conhecido como centro Fe-S Fe-SX, Fe-Sa, e Fe-SB. Fe-S e o centro de Fe-SX é parte da proteína

P700-que liga; centros o Fe-Sá e Fe-SB residem em uma 8 proteína de kDa da que é parte do centro

de reação complexo do PS-I. São transferidos elétrons por centros o Fe-Sá e Fe-SB para ferredoxina,

uma proteína de ferro-enxofre pequena, solúvel em água. A membrana associada a flavoproteína

ferredoxina–NADP redutase (FNR) reduz NADP+ a NADPH, enquanto completando a sucessão de

transporte de elétron acíclico que começa com a oxidação de água.

5.4 Reações da luz e do escuro.

A luz é um importante fator que controla o crescimento e o desenvolvimento da planta. A principal

razão para isso é claro, é que a luz é responsável pela fotossíntese. Porém, outros efeitos da luz sobre

o desenvolvimento da planta e que são completamente independentes da fotossíntese, também

ocorrem. Muitos desses efeitos controlam a aparência da planta, isto é, o seu desenvolvimento

estrutural ou morfogênese. O controle da morfogênese pela luz é conhecido como

FOTOMORFOGÊNESE. Para que a luz possa controlar o desenvolvimento da planta, ela

inicialmente deve ser absorvida. A percepção do sinal luminoso requer um pigmento que absorva a

luz e torne-se fotoquimicamente ativo, funcionando como um fotorreceptor. Este fotorreceptor, pela

absorção seletiva de luz de diferentes comprimentos de onda, interpreta a informação na forma de

uma ação primária. Esta ação primária pode envolver uma mudança na conformação de uma proteína,

uma reação redox ou outra forma de transdução química. Independente da natureza do evento

primário, a absorção da luz pelo fotorreceptor inicia uma cascata de eventos bioquímicos conhecida

como cadeia de transdução e amplificação de sinal, a qual produz a resposta final (note que a

seqüência é semelhante ao modo de ação proposto para os hormônios. A diferença é que o hormônio

se liga a um receptor específico na membrana da célula alvo enquanto, nas respostas

fotomorfogenéticas, a molécula ativa é o próprio fotorreceptor). As respostas fotomorfogenéticas em

plantas parecem estar sob o controle de três fotorreceptores: • Fitocromo – Apresenta absorção no

azul bem como na região do espectro correspondente ao vermelho e vermelho distante (ou vermelho

extremo); • Criptocromo – Pigmento que absorve a luz azul e ultravioleta (UV–A, 320 a 400 nm).

Esse pigmento parece ser importante em Criptógamas; • Fotorreceptor de UV–B – São compostos

que absorvem radiação ultravioleta na faixa de 280 a 320 nm. O fitocromo e outros fotorreceptores

controlam vários processos morfogenéticos tais como a germinação de sementes e o desenvolvimento

da plântula e culminando com a formação de novas flores e sementes. O fitocromo é o fotorreceptor

mais importante nas plantas vasculares. Alguns efeitos da luz azul são mediados pelo fitocromo,

porém, a sua fotoconversão pela luz vermelha (vermelho, V e vermelho distante, VD) é de 50 a 100

vezes mais efetiva que a luz azul. Nesta unidade estudaremos os efeitos do fitocromo sobre o

desenvolvimento da planta. 2. DESCOBERTA DO FITOCROMO Alguns efeitos

fotomorfogenéticos podem ser facilmente notados comparando-se plântulas crescendo na luz com

plântulas crescendo no escuro. As plântulas crescendo no escuro são estioladas. Algumas diferenças

causadas pela luz são visíveis: • A produção de clorofila é promovida pela luz; • A expansão da folha

é promovida pela luz; •O alongamento do caule é inibido pela luz; • O desenvolvimento da raiz é

promovido pela luz.

As características de plântulas crescendo no escuro são vantajosas se considerarmos, por exemplo, o

processo de germinação. A plântula germinando precisa atingir a fonte de luz para se tornar

fotossinteticamente ativa e, consequentemente, autotrófica. Nesse processo, como a germinação

ocorre no escuro, as reservas do endosperma (ou cotilédones) são utilizadas principalmente para o

alongamento do caule com pouco “investimento” na produção de folhas e de raízes. Isso tudo permite

maximizar a possibilidade de sucesso no estabelecimento da plântula. As grandes diferenças na forma

e no crescimento de plantas desenvolvidas na luz e no escuro têm fascinado botânicos e fisiologistas

por séculos. No entanto, pouco progresso para o entendimento desse fenômeno foi alcançado até o

início da década de 1950. Nesse período, H. A. Borthwick, um botânico, S. B. Hendricks, um físico-

químico, e outros colaboradores começaram um estudo do Espectro de Ação (um gráfico que mostra

a efetividade da qualidade da luz sobre um determinado processo, plotado como uma função do

comprimento de onda) para diversos fenômenos como: germinação de sementes de alface,

alongamento do caule de ervilha e controle fotoperiódico do florescimento. Uma excitante observação

foi a similaridade do espectro de ação, com picos no vermelho (promoção da resposta) e no vermelho

distante (inibição da resposta), indicando a existência de um fotorreceptor comum para os processos

estudados.

5.5 Metabolismo ácido das crassuláceas.

Plantas CAM ou MAC

Numerosas espécies vivem em zonas áridas e semi-áridas, tendo folhas espessas com uma baixa razão

superfície/volume, apresentando taxas reduzidas de transpiração. Estas são plantas suculentas com o

metabolismo ácido das crassuláceas- CAM (MARENCO & LOPES, 2009). As plantas CAM

representam um grupo de 30 mil espécies vegetais, distribuídas em mais de 25 famílias. Dessas, pelo

menos 24 famílias estão no grupo das angiospermas, outras nos grupos das pteridófitas e

gimnospermas. Nas angiospermas, as plantas CAM têm sido encontradas nas famílias Cactaceae,

Crassulaceae, Orchidaceae, Bromeliaceae, Liliaceae, Euphorbiaceae e outras. Entre as espécies de

importância econômica com metabolismo CAM estão o abacaxi, o sisal e as numerosas espécies de

cactos e orquídeas. Embora existam plantas CAM aquáticas ou que habitam locais normalmente

úmidos, a maioria é encontrada em clima árido. Essas plantas geralmente apresentam folhas espessas

e revestidas de uma cutícula densa, o que reduz drasticamente a perda de água, quando os estômatos

estão fechados. As células apresentam um vacúolo relativamente volumoso. Nas plantas CAM, os

estômatos permanecem fechados durante o dia, para evitar a perda de água, e abertos durante a noite,

para permitir a entrada de CO2. Como nas plantas C4, as plantas CAM possuem duas enzimas de

carboxilação:

1. A PEPcase, localizada no citosol, que fixa CO2 à noite, formando ácido oxalacético, a partir de

HCO3- e PEP;

2.A Rubisco, que atua durante o dia, no ciclo de Calvin, utilizando o CO2 derivado da descarboxilação

do malato. O oxaloacetato é reduzido para ácido málico e acumulado no vacúolo à noite. Durante o

dia, o malato é descarboxilado para PEP e CO2 ou para piruvato e CO2. O CO2 produzido é fixado

pela Rubisco no ciclo de Calvin, durante o dia, como ocorre normalmente nas plantas C3. O PEP

utilizado à noite para fixar o CO2 é originado da hidrólise do amido pelas reações da glicólise

(MARENCO & LOPES, 2009).

O comportamento CAM não permite uma grande acúmulo de matéria seca, porém economiza água,

podendo então ser considerado como a única via fotossintética que confere adaptação à seca

(OSMOND & HOLTUM, 1981). Algumas plantas CAM facultativas podem atingir alta

produtividade, quando funcionando como C3, porém quando essas plantas apresentam o

comportamento CAM, devido à um estresse ambiental, a acumulação de matéria seca é reduzida.

No metabolismo CAM como as plantas fecham os estômatos durante o dia e abrem durante a noite,

elas apresentam pouca transpiração devido ao baixo déficit de pressão de vapor, elas abrem os

estômatos, e o CO2 é fixado ao ácido fosfoenolpirúvico pela ação da PEP-case, pois essa reação não

depende de ATP ou NADPH. Assim, o carbono é assimilado na forma de ácidos orgânicos, aspártico

(ASP) e málico (MAL), acumulados nos vacúolos. Durante o dia, economizam água com os

estômatos fechados, pois já assimilaram o CO2, e então descarboxilam estes ácidos orgânicos pelas

mesmas vias de descarboxilação C4, fornecendo o CO2 para o ciclo de Benson-Calvin que, este sim,

depende da energia luminosa (HALL & RAO, 1994). Essas plantas podem permanecer longos

períodos, de 100 a 200 dias sem abrir os estômatos durante o dia, economizando água, porém com

baixo acúmulo de matéria seca (OSMOND & HOLTUM, 1981; NOBEL, 1991).

Para a economia de água, além dessa vantagem, as plantas CAM têm uma freqüência estomática (em

torno de 2.500 estômatos.cm-2) dez vezes menor que plantas C3 (em torno de 20.000 estômatos.cm-

2) (OSMOND et al., 1982).

5.6 Fotorrespiração.

A fotorrespiração diz respeito ao processo em que há absorção de luz associada à liberação de CO2.

O termo fotorrespiração significa ainda, que os tecidos fotossintéticos liberam CO2 com maior

intensidade na luz do que no escuro, considerando que o processo de respiração (glicólise, ciclo de

Krebs e transporte de elétrons) ocorre tanto no período iluminado como no escuro. A enzima rubisco

apresenta-se ativa no tecido fotossintético sob duas formas, uma forma carboxilativa (carboxilase) e

uma forma oxigenativa (oxigenase), onde CO2 e O2 competem pelo mesmo sítio da enzima. Diante

deste fato, pode-se verificar uma inibição competitiva desses dois gases na fotossíntese, onde o

oxigênio se apresenta como inibidor da fotossíntese. A associação entre a fotossíntese e

fotorrespiração foi definitivamente esclarecida com a descrição do processo de oxigenação da RuBP

pela Rubisco, concluindo que a relação entre as duas atividades dependia da relação CO2/O2

(condições atmosféricas normais, CO2 = 0,03% e O2 = 21%)ou seja, a inibição da fotossíntese pelo

O2 cresce a medida que a concentração de CO2 no ambiente diminui, por esta condição favorecer a

atividade oxigenase da rubisco. Em condições atmosféricas normais, a relação entre as duas

atividades é de aproximadamente 70:30. Desta competição, decorre uma diminuição da fotossíntese

líquida, o que resulta num decréscimo de produtividade nas plantas C3. O ponto chave do processo

está ligado à enzima rubisco presente nos cloroplastos. Ela pode promover a reação da RuBP tanto

com o CO2 (função carboxilase) quanto com o O2 (função oxigenase). Quando a concentração de

CO2 for baixa e alta de O2, a molécula de O2 não só compete com o CO2, como pode substituí-lo.

Como resultado, as duas moléculas de RuBP tornam-se oxigenadas formando duas moléculas de

ácido fosfoglicólico (2x2C = 4C) e duas moléculas de 3-PGA (2x3C = 6C) ao invés de quatro, que

normalmente seriam formadas na caboxilação. O processo fotorrespiratório envolve a participação

de três organelas, o cloroplasto, peroxissomo e mitocôndria.

O ácido fosfoglicólico (2-fosfoglicolato) por ação de uma fosfoglicolato fosfatase transforma-se em glicolato que se difunde até o peroxissomo onde é oxidado a ácido glioxílico (glioxilato). O glioxilato

por ação de uma aminotransferase, produz duas moléculas de glicina que passam para a mitocôndria,

onde se convertem em uma molécula de serina (1x3C = 3C) com liberação de CO2. A serina passa

para o peroxissomo onde é transaminada a ácido hidroxipirúvico (hidroxipiruvato), que é reduzido a

ácido glicérico. O ácido glicérico se difunde até os cloroplastos onde é fosforilado formando o 3-PGA

(1x3C). Tanto o 3-PGA quanto aquelas duas moléculas de 2-fosfoglicolato formadas diretamente pela

ação da rubisco (no início do ciclo) servirão de substrato para o Ciclo de Calvin. Percebe-se então,

que duas das três moléculas de PGA resultam diretamente da ação da RuBP/oxigenase e, a formação

de uma terceira molécula de 3-PGA é o resultado do metabolismo de duas moléculas do ácido

fosfoglicólico, produzida na mesma reação. Verifica-se assim, que duas moléculas de 2C (ácido

fosfoglicólico = 4 átomos de C) são convertidos em uma molécula de 3C (3-PGA = 3 átomos de C)

com a liberação de uma molécula de CO2, ou seja, em plantas C3, para cada 2 mol de ácido

fosfoglicólico (4C) formado pela ação da atividade oxigenase da Rubisco é perdido um mol de CO2

(1C). Conclui-se daí, que há na fotorrespiração, a recuperação de 75% do carbono que participa em

cada “rodada” do ciclo. Os 25% restantes são perdidos para a atmosfera nas plantas C3, como

resultado da atividade fotorrespiratória ou são refixados nas plantas C4, como se verá mais adiante.

O metabolismo em plantas C4 inclui também a formação do P-glicolato. Entretanto, nessas plantas

não ocorre perda do CO2 pelas seguintes razões:

a) A disposição espacial das células da bainha implica que o CO2 produzido pela fotorrespiração tem

que se difundir pelo mesofilo para ganhar o ambiente externo. Todavia, no mesofilo, é fixado

novamente pela PEPcase, enzima de alta afinidade por CO2; sendo translocado de volta como ácido

dicarboxílico para as células da bainha (C4).

b) O ativo mecanismo de descarboxilação dos ácidos dicarboxílicos nas células da bainha aumenta a

eficiência da RuBPcase em detrimento da RuBPoxigenase pelo farto suprimento de CO2, reduzindo-

se assim, as perdas de CO2 pela fotorrespiração.

Algumas possíveis funções podem ser pertencentes à fotorrespiração. No contexto da produtividade

de biomassa, observa-se que do total de CO2 fotossintético absorvido pela planta, cerca de 18 a 27%

em média do carbono é perdido na forma de CO2, sendo este um dos principais fatores de redução na

produtividade de biomassa nas plantas C3. Em alguns casos, essa perda pode chegar a 50%. Ao

contrário do que possa imaginar, a fotorrespiração apresenta-se como um mecanismo eficiente para

as plantas dissiparem energia na forma de calor gerado na etapa fotoquímica, sobretudo sob altas

intensidades de radiação, onde os estômatos encontram-se fechados, no sentido de minimizar as perdas de água por transpiração. Esta função, acredita-se ser importante para impedir possíveis danos

no aparelho fotossintético.

5.7 Fatores que afetam a fotossíntese.

1. Sistema de transporte: exportação de trioses fosfato e importação de fosfato

A membrana interna do cloroplasto é impermeável para a maioria dos compostos fosforilados,

incluindo frutose-6-fosfato, glicose-6-fosfato e frutose-1,6-bifosfato. Entretanto, existe um

transportador específico que catalisa a troca um por um de Pi por triose fosfato, que seja diidroxiacetona fosfato ou 3-fosfoglicerato. Esse transporte move simultaneamente a triose fosfato

para fora do cloroplasto, ou seja, para o citosol, e o Pi para o interior dos cloroplastos, onde ele é

empregado na fotofosforilação.

Sem esse sistema de transporte, a fixação de CO2 no cloroplasto rapidamente se tornaria impossível.

Assim, o transporte efetivo das trioses fosfato para fora do cloroplasto faz a remoção das trioses

fosfato oriundas da fixação do carbono. No citosol essas trioses fosfato são convertidas em sacaroses.

A síntese da sacarose no citosol e a síntese do amido do cloroplasto são as duas grandes formas pelas

quais o excesso de trioses fosfato são armazenadas. O último passo da síntese de sacarose libera uma

molécula de Pi que, foi empregada para gerar uma triose fosfato. Para cada molécula de triose fosfato

que sai do cloroplasto, um Pi é transportado para o interior do mesmo. Se esta troca for bloqueada a

síntese de trioses fosfato rapidamente depletará o Pi disponível no cloroplasto e impedirá a

continuação da fixação de CO2.

Este sistema de transporte Pi-triose fosfato tem uma outra função. No citosol existe uma grande

variedade de rações sintéticas que consomem energia na forma de ATP e de força redutora química.

Estas necessidades energéticas são supridas pelas mitocôndrias em um grau ainda indeterminado.

Uma segunda fonte potencial desta energia são os ATP e NADPH gerados no estroma durante as

reações luminosas da fotossíntese; entretanto, o ATP e o NADPH não cruzam a membrana do

cloroplasto. O sistema de transporte tem o efeito indireto de mover o ATP e os equivalentes redutores

através da membrana do cloroplasto. A diidroxiacetona fosfato formada no estroma pela fixação do

CO2 é transportada para o citosol, onde ela é convertida pelas enzimas glicolíticas em 3-

fosfoglicerato, gerando ATP e NADH. O 3-fosfoglicerato entra novamente no cloroplasto,

completando o ciclo. O efeito final é o transporte de NADPH/NADH e ATP do cloroplasto para o

citosol. O sistema de transporte triose fosfato na membrana interna do cloroplasto facilita a

transferência do Pi citossólico por diidroxiacetona fosfato estromal. Os produtos da fixação

fotossintética do carbono são movidos para o citossol, onde funcionam como ponto de partida para a

biossíntese da sacarose e o fosfato necessário para a fotofosforilação é transferido para o estroma

(LEHNINGER, 1995).

2. Regulação da síntese de amido e sacarose

Estudos que utilizam micrografia eletrônica, mostrando grandes depósitos de amido nos cloroplastos,

não deixam dúvidas de que este é o sítio de síntese de amido. As evidências de que o citossol é o sítio

de síntese de sacarose são baseadas em estudos de fracionamento de células, nos quais as organelas

são separadas a partir de conteúdos do citossol. As enzimas sacarose-fosfato sintase e sacarose-fosfato

fosfatase são encontradas apenas em frações do citossol.

As rotas de síntese de amido e sacarose têm algumas etapas em comum, a exemplo daquelas que

envolvem as enzimas frutose-1,6-bifosfato fosfatase e hexose-fosfato isomerase. No entanto, essas

enzimas têm isoenzimas que possuem diferentes propriedades e são únicas em compartimentos

celulares específicos. Por exemplo, a frutose-1,6-bifosfato fosfatase, presente no cloroplasto, é

regulada pelo sistema tiorredoxina e é insensível à frutose-2,6-bifosfato e ao AMP. Entretanto, a sua

isoenzima, encontrada no citossol, sofre regulação pela frutose-2,6-bifosfato.

O amido é sintetizado a partir da triose fosfato via frutose-1,6-bifosfato. A glicose-1-fosfato

intermediária é convertida a ADP-glicose, via uma ADP-glicose pirofosforilase em uma reação que

requer ATP e produz pirofosfato (PPi).

Assim como em muitas reações biossintéticas, o pirofosfato é hidrolisado a duas moléculas de

ortofosfato (Pi) por meio de uma pirofosfatase inorgãnica específica acionando, deste modo, a reação

5 na direção da síntese de ADP-glicose. Por fim, a porção glicose da ADP-glicose é transferida para

a extremidade não-redutora da glicose terminal de uma cadeia de amido em crescimento,

completando, assim, a seqüência de reações.

O sítio de síntese da sacarose foi estudado por fracionamento celular, onde as organelas são isoladas

e separadas umas das outras. Análises enzimáticas mostram que a síntese de sacarose ocorre no citosol

a partir de trioses fosfato, por uma rota similar à rota de síntese do amido – ou seja, via frutose-1,6-

bifosfato e glicose-1-fosfato.

Na síntese de sacarose, a glicose-1-fosfato é convertida a UDP-glicose por intermédio de uma UDP-

glicose fosforilase específica, análoga ´ADP-glicose pirofosforilase dos cloroplastos. Nesse estágio,

duas reações consecutivas completam a síntese de sacarose. Primeiro, a sacarose-6-fosfato sintase

catalisa a reação da UDP-glicose com a frutose-6-fosfato, produzindo sacarose-6-fosfato e UDP.

Segundo, a sacarose-6-fosfato fosfatase remove o fosfato da sacarose-6-fosfato, produzindo sacarose.

Esta última reação, que é essencialmente irreversível, move a primeira reação na direção da síntese

da sacarose. Assim como na síntese do amido, o pirofosfato formado na reação catalisada pela UDP-

glicose pirofosforilase é hidrolisado, porém não imediatamente como nos cloroplastos. Em

decorrência da ausência de uma pirofosfatase inorgânica, o pirofosfato pode ser utilizado por outras

enzimas em reações de transfosforilação. A conversão das trioses fosfato a glicose-1-fosfato nas rotas

que levam á síntese do amido e da sacarose possuem várias etapas em comum. Entretanto, tais rota

utilizam isoenzimas que são específicas ao cloroplasto ou citosol.

As isoenzimas apresentam propriedades marcadamente diferentes. A frutose-1,6-bifosfatase do

cloroplasto é regulada pelo sistema da tiorredoxina, mas não pela frutose-1,6-bifosfato e AMP. por

outro lado, a forma citosólica da enzima é regulada pela frutose-1,6-bifosfato na presença de frutose-

1,6-bifosfato, e não é afetada pela tiorredoxina. Com exceção da frutose-1,6-bifosfatase do citosol, a

síntese de sacarose é regulada em nível de sacarose fosfato sintse, uma enzima alostérica ativada pela

glicose-6-fosfato e inibida pelo ortofosfato. A enzima é inativada no escuro pela fosforilação de um

resíduo específico de serina via uma proteína quinase e ativada na luz pela desfosforilação via uma

proteína fosfatase. A glicose-6-fosfato inibe a quinase, enquanto o Pi inibe a fosfatase. Quando a

concentração de Pi citosólico é alta, a triose fosfato do cloroplasto é exportada para o citosol através

de um transportador de Pi, em troca de Pi e a sacarose é sintetizada. Quando a concentração citosólica

de Pi é baixa, a triose fosfato é retida dentro do cloroplasto e o amido é sintetizado (Taiz & Zeiger,

2004).

3. As sínteses de amido e sacarose são reações competitivas, reguladas por metabólitos-chaves

Excessos de trioses-fosfato podem ser usados tanto para a síntese de amido nos cloroplastos quanto

para a síntese de sacarose no citossol. Assim, as sínteses de amido e sacarose são processos

competitivos, e algumas condições que promovem um processo inibem o outro. Os componentes-

chaves que regulam o seu particionamento são: as relativas concentrações de ortofosfato (Pi) e triose-

fosfato no citossol e no cloroplasto; e a concentração de frutose-2,6-bifosfato no citossol. Os dois

compartimentos se comunicam com uma outra via, a do translocador fosfato / triose-fosfato, por meio

de uma proteína de transporte, localizada na membrana do cloroplasto, que catalisa o movimento de

ortofosfato e triose-fosfato em sentidos opostos entre os dois compartimentos.

Baixas concentrações de ortofosfato no citossol limitam a exportação de trioses-fosfato através do

translocador. Assim, a triose-fosfato é usada para a síntese de amido. No cloroplasto, a enzima ADP-

glicose pirofosforilase, uma componente da rota de síntese do amido, é estimulada pelo 3-

fosfoglicerato e inibida pelo ortofosfato. Uma alta relação 3-fosfoglicerato/ortofosfato é tipicamente

encontrada em cloroplastos armazenadores de amido. Por outro lado, uma abundância de ortofosfato

no citossol inibe a síntese de amido no cloroplasto e promove a exportação de triose-fosfato para o

citossol, enquanto ele é convertido em sacarose.

A síntese de sacarose no citossol é fortemente regulada pela frutose-2,6-bifosfato. Este composto é

encontrado no citossol em concentrações minúsculas e exerce um efeito regulador na interconversão

de frutose-1,6-bifosfato e frutose-6-fosfato, que ocorre no citossol. A produção citossólica de frutose-

2,6-bifosfato é associada ao decréscimo da síntese de sacarose, porque frutose-2,6-bifosfato é um

forte inibidor da enzima citossólica frutose-1,6-bifosfato fosfatase é um ativador da fosfofrutoquinase

pirofosfato-dependente.

A frutose-2,6-bifosfato é sintetizada a partir da frutose-6-fosfato, sob ação da enzima frutose-6-

fosfato 2-quinase, e é degradada pela frutose-2,6-bifosfato fosfatase (não confundir com a frutose-

1,6-bifofato fosfatase). O ortofosfato estimula a frutose-6-fosfato 2-quinase e inibe a frutose-2,6-

bifosfato fosfatase, enquanto a triose-fosfato inibe a frutose-6-fosfato 2-quinase. Consequentemente,

uma baixa relação triose-fosfato / ortofosfato, no citossol, promove a formação de frutose-2,6-

bifosfato, que, na verdade, inibe a hidrólise de frutose-1,6-bifosfato citossólica e promove lentamente

o aumento da síntese de sacarose. Uma alta relação triose-fosfato/ortofosfato tem o efeito inverso.

4. A trealose-6-fosfato pode regular a fotossíntese

Os genes da trealose 6 fosfato têm uma função perceptiva no status de carbono talvez pela sua

interação com a hexoquinase (Goddijn e Smeekens, 1998). Significativamente, a capacidade

fotossintética por unidade de área foliar em transgênicos de tabaco expressando o transgene trealose

fosfato fosfatase (TPS) é alta. Plantas que expressam o transgene TPS e apresentam elevadas taxas

de trealose 6 fosfato percebem um déficit de carbono e regulam a fotossíntese.

5. Mecanismos pelo qual o balanço c/n regula a fotossíntese

O metabolismo do carbono está intrinsecamente ligado ao metabolismo do nitrogênio e qualquer

efeito nas alterações na abundância do carbono afeta o metabolismo do nitrogênio e vice-versa

(Noctor e Foyer, 2000). A utilização da sacarose no crescimento dos órgãos dreno depende

simultaneamente do suprimento de aminoácidos. A assimilação do nitrato e amônio na parte aérea e

raiz, para produzir aminoácidos requer ATP, poder redutor e esqueletos de carbono. Estes são

providos pela fotossíntese, glicólise e respiração. A integração dessas rotas requer um repertório de

sinais que permite a mudança gradativa da regulação molecular na expressão de genes para o

metabolismo do carbono e nitrogênio. Alterações no fluxo de carbono através da hexoquinase em

combinação com o prevalecimento da razão de assimilação de N pode modificar o tamanho do pool

de 2 –oxoglutarato, acetil Co-A e possivelmente a razão AMP/ATP os quais poderiam modificar a

expressão da Rubisco e dos genes envolvidos na fotossíntese (PAUL & FOYER, 2001).

A glutamina e o 2-oxoglutarato são também metabólitos chave na interação C/N. A glutamina atua

antagonisticamente ao 2-oxoglutarato e sacarose na regulação da transcrição da redutase do nitrato

(NR) (FERRARIO-MERRY et al., 2000). Embora a glutamina não tenha um efeito direto na

transcrição da Rubisco, a glutamina responde sensivelmente ao suprimento de nitrato e sacarose

(SCHEIBLE et al., 1997). A expressão do gene do fosfoenolpiruvato carboxilase é controlada pelo

suprimento de nitrogênio particularmente na presença de citocinina. A PEP carboxilase é ativada pelo

aumento do pool de glutamina foliar favorecendo o fluxo de carbono através da rota anaplerótica

(MURCHIE et al., 2000).

Assim como 2-oxoglutarato, o acetil Co-A tem uma função no metabolismo do carbono no

cloroplasto sendo envolvido na rota dos aminoácidos, ácidos graxos e metabolismo dos nucleotídeos

(SHEEN, 1990).

6. O acúmulo de assimilados na folha regula a fotossíntese

A fotossíntese é regulada por processos metabólicos que maximizam o uso da disponibilidade de luz

para minimizar os efeitos prejudiciais do excesso de luz e otimizar o uso das fontes de carbono e

nitrogênio. Um desses processos regulatórios ocorre quando há excesso de carboidratos em folhas,

promovido pelo desbalanço entre fonte e dreno o que resulta a um decréscimo da expressão dos genes

ligados a fotossíntese, resultando em uma senescência foliar acelerada. Entretanto, a regulação dos

órgãos fonte da fotossíntese é altamente dependente da fisiologia do resto da planta. Suprimentos de

fotoassimilados e fitohormônios, particularmente citocininas, interagem com o suprimento de

nitrogênio para controlar a expressão dos genes da fotossíntese, o desenvolvimento de folhas e a

distribuição de nitrogênio na planta (PAUL & FOYER, 2001).

As folhas fonte sustentam altas razões de fotossíntese.e depende não só das reações entre as

membranas dos tilacóides e estroma, mas também das trocas de metabólitos com o citosol e com

outras organelas como a mitocôndria.

O ATP e poder redutor (NADPH, NADH e Fd) são gerados simultaneamente no cloroplasto durante

o transporte de elétrons e fotofosforilação. Eles são consumidos na assimilação de elementos

inorgânicos (C, N, S) pelos quais ATP e potencial redutor podem ser regenerados pelo processo

oxidativo como a respiração. A respiração inclui fosforilação oxidativa na mitocôndria que possibilita

a redução do poder redutor (NADPH) (NOCTOR & FOYER, 1998). O fluxo respiratório, por

exemplo, é necessário na luz para produzir oxiácidos como o 2 – oxoglutarato (KROMER, 1995).

Isso é essencial para a incorporação do NH4+ dentro dos aminoácidos no cloroplasto. O NAD(P)H

produzido como resultado deste fluxo de carbono oxidativo pode ser re-oxidado pelo sistema de

transporte de elétrons na mitocôndria, gerando ATP. Este ATP é então transportado de dentro do

cloroplasto para um transportador de adenilato no envelope do cloroplasto, juntando-se ao ATP

produzido pela fotofosforilação (NOCTOR & FOYER, 2000).

7. Certas enzimas do ciclo de calvin são ativadas diretamente pela luz

São cinco as enzimas reguladas pela luz que operam no ciclo de Calvin: 1) rubisco (regulação); 2)

NADP gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase; 3) frutose-1,6-bifosfatase; 4) sedoheptulose-1,7-

bifosfatase; 5)ribulose-5-fosfato quinase.A enzima da fase de redução (desidrogenase do

gliceraldeído-3-fosfato) e as três enzimas da fase de regeneração são controladas pelo sistema

ferredoxina-tiorredoxina. Estas quatro enzimas possuem um ou mais grupos dissulfeto (S-S). No

escuro estes resíduos estão na forma oxidada, deixando a enzima inativa ou subativa. Na luz, os

elétrons da ferredoxina, via tiorredoxina, são utilizados para reduzir o grupo S-S para o estado

sulfidrila (SH). A mudança promove a ativação da enzima.

Tradicionalmente, a análise das vias metabólicas foca sobre o estudo das propriedades cinéticas de

enzimas individuais. Esta abordagem leva à identificação de uma série de “enzimas chave” do ciclo

de Calvin, tais como Rubisco, SBPase, FBPase e PRKase. Esta classificação foi baseada no fato de

que a atividade destas enzimas foi regulamentada por uma série de fatores,incluindo a luz, pH estroma

[Mg2], e que catalisam reações que eram mais ou menos irreversíveis (PORTIS et al 1977;.

WOODROW & BERRY, 1988). As enzimas como a Rubisco, sedoheptulose-1,7- bisfosfatase,

aldolase e transcetolase dominam o controle da fotossíntese.

A fixação redutiva do CO2 requer ATP e NADPH e suas concentrações no estroma aumentam quando

os cloroplastos são iluminados. O transporte de prótons induzidos pela luz através da membrana

tilacóide também transforma o compartimento estromal em alcalino e é acompanhado pelo fluxo de

Mg2+ para fora do compartimento tilacóide em direção ao estroma. Várias enzimas do estroma

evoluíram para tomar vantagem dessas condições dependentes de luz que sinalizam a disponibilidade

de ATP e NADPH; eles têm o pH ou Mg2+ ótimos que são melhora adaptados para condições alcalinas

e alta concentração de Mg2+. A ativação de rubisco pela formação de carbamato de lisina é mais rápida

em pH alcalino, e altas concentrações no estroma de Mg2+ favorecem a formação de complexo ativo

com o Mg2+. A frutose-1,6-bifosfatase requer Mg2+ e é muito dependente do pH. A sua atividade

aumenta por um fator maior que 100 quando o pH e a concentração de Mg2+ aumentam durante a

iluminação do cloroplasto.

As três outras enzimas essenciais para a operação do ciclo de Calvin submetidas a outro tipo de

regulação pela luz, a ribulose-5-fosfato quinase, frutose-1,6-bifosfatase e sedoeptulose-1,7-

bifosfatase, podem existir em duas formas alternativas que diferem entre si apenas no estado de

oxidação de um resíduo de cisteína essencial para sua atividade catalítica. Quando esses resíduos de

cisteína são oxidados como pontes dissulfetos, as enzimas tornam-se inativas; esta é a situação normal

no escuro. Com a iluminação os elétrons fluem do fotossistema I para a ferredoxina, a qual passa os

elétrons para uma proteína pequena e solúvel que contém grupo dissulfeto chamada tiorredoxina. A

tiorredoxina fornece os seus elétrons para a redução das pontes dissulfeto destas enzimas ativadas

pela luz e, a seguir, é reativada em uma reação de troca de dissulfetos catalisada pela tiorredoxina

redutase. A partir da redução, as enzimas biossintéticas são convertidas do estado inativo para um

estado ativo. O processo de ativação inicia na luz pela redução da ferredoxina pelo fotossistema I. A

ferredoxina reduzaida mais dois prótons são utilizados para reduzir o grupo catalítico ativa o dissulfito

da enzima ferro-sulfurosa ferredoxina;tiorredoxina redutase, o que , por sua vez, reduz a ligação

dissulfito altamente específica da pequena proteína regulatória tiorredoxina. A forma reduzida da

tiorredoxina reduz então a ligação dissulfito crítica de uma enzima alvo, levando a ativação daquela

enzima. O sinal de luz é assim convertido a um sinal sulfidril, ou via ferredoxina e a enzima

ferredoxina:tiorredoxina redutase. A inativação das enzimas alvo, observada durante o

escurecimento, parece ocorrer por uma reversão da rota de redução (ativação). Isto é, o oxigênio

converte a tiorredoxina e as enzimas alvo do estado reduzido para o estado oxidado, levando assim,

à inativação da enzima.

8. Transcetolases

Reduções na atividade das transcetolases têm efeitos sobre a partição de carbono entre a sacarose e

vias biossintéticas de amido. Níveis de sacarose diminuem linearmente com a redução na atividade

da transcetolase . Outra conseqüência interessante na redução na atividade das transcetolases é a

diminuição na biossíntese de aminoácidos aromáticos e intermediários da via do ácido chiquímico,

indicando que a disponibilidade de esqueletos de carbono do ciclo de Calvin poderá controlar o fluxo

de carbono no metabolismo de fenilpropanóides. O gliceraldeído 3 fosfato desidrogenase, frutose-

1,6-bisfosfatase ou fosforibuloquinase têm pouco controle sobre a fixação de carbono pela

fotossíntese.

Um modelo de captação de CO2 foi desenvolvido por Farquar e colegas particionando a limitação da

fotossíntese entre a atividade da Rubisco e da capacidade da RuBP para regeneração (von Caemmerer

et al. 2000). Este modelo prevê que, sob saturação de luz, condições de CO2 limitantes, a atividade

Rubisco é o determinante para a fixação de carbono. Aplicação deste modelo demonstrou que o

equilíbrio de co-limitação de fixação de carbono pela fotossíntese é dividida entre carboxilação e

regeneração, sob uma ampla gama de condições em um grande número de espécies de plantas (Evans

1983). O modelo de cinética do ciclo de Calvin, desenvolvido pela Fell e Poolman, também previu

que o controle do fluxo de carbono pela fotossíntese é susceptível de ser limitada pela regeneração

da Rubisco e com a enzima SB-Pase sendo a principal enzima controladora nesta fase do ciclo.

Unidade 06: Transporte de solutos orgânicos

6.1 O sistema de condução: xilema e floema.

O xilema é também conhecido como lenho, e os seus componentes possuem parede secundária

espessa e rígida, preservando melhor a planta. Na sua estrutura são encontradas células vivas e mortas,

as quais morrem durante a maturidade (Castro et al.; 2009). Esse vaso é formado por elementos

traqueais (traqueídes e elementos de vaso), células parenquimáticas e esclerênquima (Castro et al.;

2009). Os elementos de vaso são encontrados apenas em angiospermas, em um pequeno grupo de

gimnospermas e algumas pteridófitas. Já os traqueídes estão presentes tanto em gimnospermas quanto

em angiospermas. Os elementos traqueais apresentam morte das células quando atingem a

maturidade, assim as células condutoras de água não têm membranas e organelas, ficando apenas

paredes celulares lignificadas e grossas, formando tubos ocos, por onde a água passa com baixa

resistência (Taiz & Zeiger, 2013).

A anatomia especializada do xilema permite que ele transporte grandes quantidades de água com

bastante eficiência. Os traqueídes são células fusiformes alongadas organizadas em filas verticais

sobrepostas. A água flui pelos traqueídes pelas pontuações nas paredes laterais. Os elementos de vaso

são mais curtos e mais largos do que os traqueídes e têm paredes perfuradas, estabelecendo uma placa

de perfuração, eles também têm pontuações. As paredes terminais perfuradas permitem que eles

sejam empilhados extremidade com extremidade, formando um vaso, que é um condutor com paredes

terminais abertas, assim eles formam uma rota de baixa resistência e eficiente para o transporte de

água (Taiz & Zeiger, 2013).

Transporte no xilema: O transporte de água nas plantas é feito principalmente pela rota do xilema,

essa rota é mais simples quando comparada com a da raiz, tendo menor resistência, assim tem menor

gradiente de pressão necessário para o transporte de água do solo para as folhas. O transporte pelo

xilema é muito mais eficiente que o transporte de água célula-célula (Taiz & Zeiger, 2013).

O transporte no xilema é feito devido à água no topo de uma árvore desenvolver uma grande tensão,

a qual puxa a água pelo xilema, essa é a teoria coesão-tensão de ascensão de seixa, pois leva em

consideração as propriedades de coesão da água para suportar as tensões nas colunas de água no

xilema (Taiz & Zeiger, 2013). As tensões no xilema podem criar alguns problemas, sendo que uma

deles é que a água sobre tensões pode transferir uma força interna às paredes do xilema, o que poderia

causar o colapso dos vasos se estes não apresentassem parede celular secundária e lignificação.

Quando a tensão da água aumenta no xilema o ar pode ser aspirado através dos poros das paredes

celulares do xilema. Bolhas de ar são formadas no xilema quando ocorre o congelamento dos

condutos, a formação de bolhas é conhecida como embolia, o que impede a passagem de água pelo

xilema. Essa embolia causa sérios problemas para as plantas, pois impede a passagem de água. As

plantas apresentam algumas alternativas para minimizar a embolia. Assim a água pode desviar

passando por condutos vizinhos por meio das pontuações areoladas, que interconectam os condutos

de xilema (Taiz & Zeiger, 2013)

Essas bolhas podem ser eliminadas do xilema durante a noite, quando a transpiração é baixa o Ψp do

xilema aumenta, e os vapores de água e gases dissolvem na solução do xilema. As bolhas também

podem ser eliminadas pelas pressões positivas que são exercidas pelas raízes, que fazem com que a

bolha encolha e os gases sejam dissolvidos. Para que a água passe da raiz para o xilema e chegue até

as partes aéreas das plantas é necessário que ocorra a evaporação da água nas folhas. A pressão

negativa que faz com que a água passe pelo xilema na superfície das paredes celulares da folha (Taiz

& Zeiger, 2013)

Ao ocorrer à evaporação de água para a atmosfera ocorre a formação de uma superfície remanescente

de água, a qual migra para os interstício da parede celular, onde são formadas interfaces curvadas ar-

água. Essa curvatura leva a uma pressão negativa sobre a água, e quanto mais água é evaporada mais

essa curvatura aumenta, aumentando também essa pressão, gerando a força-motriz do transporte de

água no xilema (Taiz & Zeiger, 2013). A absorção de íons pela raiz ocorre principalmente na zona de

pelos radiculares, esses íons podem se difundir por simplasto (citoplasma para citoplasma) ou por

apoplasto (espaços extracelulares) até chegar ao estelo. Uma vez que o íon está dentro do estelo

(elementos traqueais mortos e de células de xilema parenquimáticas vivas), ele continua a difusão

célula-célula até chegar ao xilema, reingressando no apoplasto. As estrias de Caspary impedem que

esses íons difundam novamente para a raiz, assim a planta mantém a concentração iônica mais alta

no xilema do que na água no solo que circunda a raiz (Taiz & Zeiger, 2013). O processo pelo qual os

íons saem do simplasto e entram no xilema é chamado de carregamento do xilema. Esse carregamento

do xilema pode ser feito por difusão passiva, quando os íons movimentam de forma passiva no estelo

via simplasto, por um potencial eletroquímico, e saem do estelo para o xilema. O carregamento do

xilema também pode ser feito por processos ativos dentro do estelo (Taiz & Zeiger, 2013)

Floema

O floema é conhecido também como líber, constituindo uma camada entre a casca e a madeira, sendo

responsável pelo transporte de assimilados da fotossíntese. Esse vaso condutor é formado por

elementos crivados (células crivadas e elementos do tubo crivado), células companheiras ou

albuminosas, fibras floemáticas e células de parênquima (Castro et al., 2009). Em plantas com

crescimento primário, o floema também ocupa a porção externa dos caules, tendo como exceção as

gramíneas, cujos vasos de floema e xilema estão distribuídos em vários feixes dispersos no córtex.

Contudo, em cada feixe, o floema também ocupa a porção mais externa. (Castro, P.R.C; Kluge, R.A

& Peres, L.E.P, 2005).

Os elementos crivados podem ser de dois tipos: células crivadas em gimnospermas e os elementos

dos tubos crivados, que são células altamente especializadas de angiospermas. Os elementos do tubo

crivado têm áreas crivadas especializadas, formando a placa crivada, que apresentam poros grandes

circundados por calose. Eles são dispostos verticalmente, sendo conectados pelas placas crivadas

formando tubos crivados e são acompanhados por células companheiras (Castro et al., 2009). Essa

ligação entre elemento do tubo crivado e células companheiras é feita por um sistema de comunicação

ramificado, chamado de plasmodesmos. Os plasmodesmos permitem a troca de substâncias entre as

células.

As células companheiras ao contrário dos elementos crivados são ricas em organelas, podendo

sintetizar muitos compostos e substâncias como o ATP, que são transferidos para o elemento crivado,

enquanto o elemento crivado tem função de realizar o transporte de assimilados da fotossíntese para

o restante da planta. Algumas células companheiras alteraram a morfologia, formando invaginações

da parede celular, sendo capazes de realizar transporte e então passaram a ser chamadas de células de

transferência (ou intermediárias) (Kerbauy, 2004).

No floema a translocação não ocorre de forma ascendente ou descendente, e não é definida pela

gravidade. O transporte ocorre da região produtora (fonte) para as regiões de metabolismo ou

armazenamento (dreno) (Taiz & Zeiger, 2013). As fontes são denominadas áreas de produção de

fotossintatos onde ocorre a translocação, para áreas de metabolismo intenso ou órgãos de reserva

denominadas dreno. Fonte inclui qualquer órgão exportador, tipicamente uma folha adulta,

completamente expandida, que é capaz de produzir fotossintato além de suas necessidades. Os

maiores drenos durante a fase vegetativa são raízes e ápices caulinares enquanto na fase reprodutiva,

os frutos se tornam dominantes. Nas nervuras terminais das folhas o carregamento do floema na

região da fonte envolve o movimento dos produtos dos cloroplastos nas células do mesofilo para as

células do tubo crivado (Zhang et al., 2005). Os órgãos fonte são responsáveis pela produção de

assimilados a partir da fotossíntese e são representados principalmente pelas folhas. Os assimilados

tanto podem ser usados como fonte energética necessária ao funcionamento da planta, através da

respiração, como serem transportados e armazenados temporariamente em órgãos de reserva ou nos

drenos, representados pelas raízes, meristemas e frutos das plantas. Segundo Marcelis (1996b), a força

de fonte não é considerada neste processo, frequentemente, como exercendo efeito direto na

distribuição de matéria seca, mas atua indiretamente, via formação de órgãos drenos.

Coll et al. (2001), acredita que entre os fatores que definem a força do dreno, o que mais se destaca é

a proximidade, pois normalmente as fontes translocam nutrientes para os drenos que estão mais

próximos delas, ou seja, translocam assimilados preferencialmente para drenos com os quais elas têm

conexão vascular direta. Uma consequência prática a isso é que folhas que sombreiam outras mais

próximas dos drenos de interesse devem ser eliminadas. Sendo um critério geral, as folhas superiores

da planta normalmente translocam nutrientes para as folhas novas e caules em crescimento e as folhas

da porção basal tendem a exportá-los para o sistema radicular. Já as intermediárias exportam seus

produtos tanto para as partes superiores quanto para as inferiores. Durante o desenvolvimento a

importância dos drenos é alterada, no crescimento vegetativo, os ápices caulinares e radiculares são

os principais drenos, já no desenvolvimento reprodutivo os drenos são os frutos (Taiz & Zeiger,

2013).

As folhas responsáveis pela produção de compostos que serão transportados normalmente suprem os

drenos com os quais possuem conexões vasculares diretas. Esses padrões de translocação podem ser

alterados por ferimentos ou por erro de poda. Quando ocorre a eliminação de conexões vasculares, a

rota de transporte passa a ser alternativa, sendo chamado de anastomose, forçando fontes mais

distantes suprirem estes drenos. Como exemplo folhas inferiores suprindo as partes superiores e vice-

versa, mas isso depende da espécie e órgão estudado (Taiz & Zeiger, 2013). Através do tamanho pode

se determinar a força de um dreno (massa total do tecido) e atividade (taxa de importação e

assimilados), mas também depende de outros fatores como suprimento de carboidratos, presença de

outros drenos e resistência ao transporte ao longo do floema (Thorpe & Minchim, 1996).

O excedente em compostos fotoassimilados produzidos pela planta durante o período de atividade

fotossintética, ficam imobilizados na forma de carboidratos insolúveis em órgãos aéreos e

subterrâneos, sendo, então, mobilizados gradativamente em carboidratos solúveis durante o período

de dormência. Essa mobilização é acelerada com o fim da dormência e os carboidratos solúveis

conduzidos para as gemas em brotação que, por sua vez, formarão novos ramos e folhas.

Posteriormente, as flores e os frutos são supridos, seguidos pelo câmbio, por novas gemas em

formação e, finalmente, pelos tecidos que servem como depósito de carboidratos em órgãos

subterrâneos e aéreos da planta (Baptist et al., 2009).

As substâncias para serem translocadas devem estar numa forma solúvel. Se forem insolúveis devem

sofrer transformação de maneira a tornarem-se solúveis. O sentido da translocação é sempre da

direção do órgão produtor ou de reserva (fonte) para o órgão consumidor (dreno), sempre que há

demanda. A água e o carboidrato nela dissolvido a serem transportados, movem-se por fluxo de massa

ao longo de um gradiente de pressão na direção do dreno de fotoassimilados. O que determina o

volume do fluxo para um dado dreno é a distribuição diferencial de fotoassimilados dentro da planta,

denominada partição (Tanaka & Fugita, 1979).

O caminho da translocação são os tecidos vasculares distribuídos por toda a planta, interligando as

fontes aos drenos. O tecido vascular forma um sistema de tubos que pode direcionar, por partição, o

fluxo de fotoassimilados para vários órgãos: folhas jovens, caule, raízes, frutos ou sementes. Quase

sempre que há partição de fotoassimilados em benefício de um determinado órgão e outro,

possivelmente, ficará prejudicado, pois nem sempre a planta produz fotoassimilados o suficiente para

abastecer todos os seus órgãos simultaneamente. Em feijoeiros, por exemplo, no início da floração,

os fotoassimilados deixam de ser translocados para as raízes e tomam a direção das flores e frutos,

onde a atividade metabólica passa a ser intensa com alta demanda por fotoassimilados (Tanaka &

Fugita, 1979).

Desta maneira temos que o fluxo de fotoassimilados através do sistema vascular depende do estádio

de desenvolvimento da planta. Plantas em crescimento intenso têm maior atividade metabólica e,

portanto, maior demanda pelos seus diferentes órgãos e a taxa de fluxo é alta. Por outro lado, plantas

maduras ou em crescimento lento, têm atividades metabólicas menores e, consequentemente,

menores taxas de fluxo de fotoassimilados. Como resultados têm um menor crescimento radicular.

Ao longo do ciclo das plantas nos diferentes eventos ontogenéticos, que ocorrem como consequências

do seu desenvolvimento podem ocorrer mudanças no direcionamento dos fotoassimilados (Tanaka &

Fugita, 1979).

A quantidade total de carbono fixada disponível para a folha é determinada pela taxa fotossintética,

porém, a quantidade de carbono disponível para a translocação depende dos eventos metabólicos

subsequentes. A regulação do direcionamento do carbono fixado para os vários caminhos

metabólicos é chamada alocação (Taiz & Zeiger, 2013). Os fotoassimilados não utilizados pela folha

são transportados para outros órgãos onde vão entrar no crescimento dos mesmos. Normalmente, o

transporte da solução água e solutos na planta através do xilema ocorrem a favor de gradientes de

concentração, sempre no sentido da maior para a menor concentração. No caso do transporte de

solutos orgânicos, via floema, ocorre a favor de gradiente de pressão, independente do gradiente de

concentração, ou de potencial da água (Tanaka & Fugita, 1979).

Substâncias transportadas no floema

Muito do que sabemos hoje sobre transporte no floema é graças ao estudo dos afídeos (pulgões e

cochonilhas). Esses insetos introduzem seu aparelho bucal (rostro), diretamente no tubo crivado e ao

analisar o conteúdo sugado é deduzido o que é transportado no floema. Pulgões anestesiados com

fumigação de CO2 têm seus rostros isolados e estes continuam exudando seiva, já que o floema está

sobre pressão. Essas análises indicam que o principal soluto transportado no floema é a sacarose,

sendo o constituinte onipresente de todos os conteúdos do floema. A concentração de sacarose

transportada varia entre 0,3 a 0,9 M. Além da sacarose, em algumas famílias de plantas o floema

também transloca outros açúcares não redutores (pois são menos reativos), tais como: rafinose

(sacarose + galactose), estaquiose (sacarose + 2 galactoses) e verbascose (sacarose + 3 galactoses).

Açúcares cujos grupos aldeído e cetonas foram reduzidos a álcool (manitol, sorbitol) também são

translocados (Zimmermann & Ziegler, 1975 apud Lalonde et al, 2003).

A substância transportada em maior quantidade pelo floema é a água, sendo que os solutos

transportados estão dissolvidos nela. O transporte de aminoácidos e amidas (fontes de nitrogênio) é

consideravelmente baixo quando comparado com o transporte de carboidratos. Os aminoácidos e

amidas são encontrados no floema geralmente na forma de glutamato e aspartato e suas respectivas

amidas glutamina e asparagina, mas nunca na forma de nitrato (Taiz & Zeiger, 2013; Kerbauy, 2004).

O nitrogênio é transportado na forma orgânica e inorgânica. No floema o transporte é

preferencialmente na forma orgânica, já no xilema ele pode ser transportado como nitrato ou como

parte de molécula orgânica (Taiz & Zeiger, 2013).

O floema também transporta substâncias sinalizadoras, sendo importante na comunicação entre as

várias partes das plantas. Entre as substâncias sinalizadoras transportadas no floema, estão os

hormônios vegetais (auxina, citocinina, giberelina, ácido abscísico). Outro importante sinal

transportado pelo floema é o RNA mensageiro (mRNA). Em experimentos de enxertia combinando

uma planta de genótipo mutante específico com outra de genótipo normal, pode se provar que

substâncias passadas pelo floema são capazes de modificar o fenótipo de plantas não mutantes. A

substância em questão é o mRNA da planta mutante (Kim et al., 2001). De modo semelhante, é bem

conhecido que ao enxertarmos plantas não induzidas para o florescimento em plantas induzidas, uma

substância desconhecida (florígeno) é capaz de ser passada através do floema para a planta não

induzida, provocando seu florescimento (Aukerman & Amasino, 1998). Além de RNA, o floema

também transporta outras macromoléculas como peptídeos (ex. sistemina) e partículas virais (Oparka

& Santa Cruz, 2000). Nucleotídeos fosfato e proteínas também são encontrados na seiva elaborada

no floema. As proteínas que são encontradas são as P, responsáveis pela obstrução do vaso em caso

de danificação, proteínas quinases, tiorredoxina, ubiquitina (degradação de proteínas), as chaperonas

(dobramento de proteínas), inibidores de proteases (Taiz & Zeiger, 2013; Kerbauy, 2004).

Apesar do floema não transportar nitrato, ele transporta muitos nutrientes minerais. Os solutos

inorgânicos que se movem no floema são potássio, magnésio, fosfato e cloreto (Taiz & Zeiger, 2013;

Kerbauy, 2004). O potássio é o nutriente presente em maior quantidade no floema, seguido de fósforo,

magnésio e enxofre. O potássio, juntamente com a sacarose, é o principal componente osmótico da

seiva do floema (Kerbauy, 2004).

A taxa de movimentação pelos elementos crivados no floema pode ser medida pela velocidade e pela

taxa de transferência da massa. A velocidade está relacionada com a distância linear percorrida por

unidade de tempo, e a taxa de transferência de massa é quantidade de material que passa pelo floema

e elementos do tubo crivado por unidade de tempo. Geralmente a velocidade de translocação no

floema é alta, variando de 0,3 a 1,5 m h-1 (30 a 150 cm por h-1). Dessa forma a difusão não pode ser

responsável pelo processo por ser um mecanismo muito lento, sendo aproximadamente 1m em 32

anos, assim é necessário um movimento por fluxo de pressão (Taiz & Zeiger, 2013). Esse modelo de

transporte foi proposto por Ernst Münch em 1930, sendo o fluxo ocasionado por gradiente de pressão

gerado entre a fonte e o dreno (delta ψp). Esse gradiente ocorre por consequência do carregamento e

descarregamento do floema. Para que a translocação ocorra é necessário gasto de energia tanto na

fonte quanto no dreno. Nas fontes é necessário energia para transportar os produtos da fotossíntese

para os elementos crivados, o que é chamado de carregamento do floema. Nos drenos a energia é

usada para transportar os compostos do elemento crivado para a célula-dreno, o que é chamado de

descarregamento do floema (Taiz & Zeiger, 2013).

Mobilização de assimilados.

É imperativo e muito importante saber como essa sacarose é carregada no floema a partir do mesofilo

das celulas foliares fonte nas plantas C3 e CAM e da celulas da bainha nas plantas C4, e como é

descarregada nos diferentes drenos, a partir do floema, envolvendo as possibilidades apoplástica e

simplástica, para atender as diferentes demandas e necessidades de cada tipo especifico de dreno

(crescimento celular, acumulo de reservas, etc). Conhecer com muita segurança como podem e devem

atuar as enzimas hidrolíticas Invertases com suas várias isoformas (de parede celular, citosólica e

vacuolar) e tambem da SuSy, obviamente com seus produtos, UDP-Glicose e frutose, e com suas

particularidades de ação.

Com o passar dos anos e com a evolução das plantas para os ambientes terrestres, foi necessário o

surgimento de mecanismos que proporcionassem condições de adaptação para estes organismos. Com

essas mudanças, passaram a ter necessidade de obter e reter água para o seu desenvolvimento,

ocorrendo o aparecimento de duas estruturas: raízes e folhas. As raízes são responsáveis por absorver

água e nutrientes do solo, além de fazer a fixação da planta no ambiente terrestre, enquanto as folhas

têm a função de absorver luz e realizar as trocas gasosas.

Com o crescimento das plantas, estas estruturas ficaram consideravelmente distantes uma da outra,

levando ao aparecimento de um sistema de conexão entre elas. Esse sistema ficou conhecido como

sistema vascular e é formado por xilema e floema, os quais permitem a troca entre os compostos de

absorção das raízes e de assimilação da folha, respectivamente. Dessa forma, o xilema é responsável

por realizar o transporte de água e íons e o floema faz o transporte dos produtos da fotossíntese, da

fonte para o dreno, e também redistribui água e outros compostos ao longo do corpo da planta (Taiz

& Zeiger, 2013).

Elementos do xilema suportam um fluxo de massa para cima de seiva contendo mineral impulsionado

pela perda por evaporação de água de órgãos aéreos, reduzindo a pressão em suas paredes celulares.

Por contraste, as diferenças de pressões geradas osmoticamente movem os produtos da fotossíntese e

os nutrientes inorgânicos (assimilados) por fluxo de massa de folhas para partes não fotossintetizantes

pelo floema. A maioria dos assimilados são entregues pelo floema para os drenos, e estes órgãos têm

baixas taxas de transpiração e, portanto importação pelo xilema (Lalonde et al., 2003) É através dessa

comunicação que a água e os nutrientes minerais absorvidos pelas raízes ou os nutrientes orgânicos

procedentes da fotossíntese percorrem toda a planta, suprindo as demandas em locais muito diferentes

daqueles de origem.

Limitações à produtividade vegetal podem depender tanto da taxa de fixação do carbono, quanto da

distribuição e utilização dos carboidratos para órgãos e/ou tecidos não fotossintéticos, sendo

relacionado com a capacidade de exportar e importar fotoassimilados, os órgãos vegetativos

envolvidos nessa translocação são classificados em fonte e dreno e o principal mecanismo envolvido

no transporte de solutos orgânicos está baseado na teoria do fluxo em massa ou de pressão. Desta

maneira, para que ocorra a translocação de solutos na planta é necessário um sistema de comunicação,

o qual deve interligar a planta do ápice da parte aérea até o ápice das raízes, para que os

fotoassimilados sejam exportados para as partes da planta que não fazem fotossíntese.

Dessa forma, os mecanismos envolvidos no transporte de assimilados no xilema e floema são

essenciais para o desenvolvimento das plantas e sua melhor produtividade, o mau funcionamento ou

bloqueio destes mecanismos causa sérios prejuízos para a produção agrícola e sobrevivência das

plantas em geral.

6.3 Substâncias transportadas.

A membrana plasmática, bem como outras membranas celulares, controla intenso transporte de

solutos para dentro e para fora das células. Os principais sistemas de transporte operando nestas

membranas são:

Transporte Ativo

Nesse tipo de transporte há o gasto de energia (na forma de ATP) e ocorre contra um gradiente de

concentração, isto é, as substâncias serão deslocadas de onde estão pouco concentradas para onde sua

concentração já é alta. O exemplo clássico de transporte ativo é a bomba de sódio e potássio. Os íons

de Na+ e K+ são importantes para o funcionamento celular e ocorrem em concentrações específicas

dentro e fora das células. O íon Na+ se apresenta em maior concentração no meio extracelular,

enquanto o íon K+ se encontra mais concentrado no meio intracelular. Logo o movimento natural

desses íons é : o íon Na+ entra na célula por difusão facilitada e o K+ sai da célula pelo mesmo

processo. Com isso a tendência é haver um equilíbrio entre as concentrações interna e externa desses

dois íons (o que não seria bom para o metabolismo celular), logo a célula gasta energia, na forma de

ATP, para fazer o transporte oposto desses íons: colocar o Na+ para fora e colocar o K+ para dentro.

Há dois tipos de transporte ativo:

a) Transporte ativo primário: refere-se ao transporte através de uma membrana contra o seu gradiente

de potencial eletroquímico, sempre com gasto direto de energia metabólica (ATP, luz, etc). Este tipo

de transporte é intermeado por H+-ATPases das quais são conhecidas três: ATPase “P” (membrana

plasmática), ATPase “V” (vacúolo) e ATPase “F” (membrana do tilacóide).

b) Transporte ativo secundário: este tipo de transporte, gasta indiretamente a energia de gradiente

eletroquímicos produzidos pelo transporte ativo primário. Pode ser simporte, antiporte ou uniporte.

Transporte passivo

É um transporte que ocorre sem gasto de energia externa ao sistema e ocorre a favor do gradiente

eletroquímico, ou seja, vai do maior gradiente eletroquímico para o menor gradiente eletroquímico,

no caso de um soluto carregado ou a favor do gradiente de concentração, do mais concentrado para o

menos concentrado, no caso de um soluto não carregado. Pode ocorrer então a entrada de solutos na

célula a partir do meio extracelular ou sair solutos da célula indo do meio intracelular para o meio

extracelular.

O transporte passivo ocorre na tendência de equilibrar as forças sobre o soluto. Se for um soluto

carregado, existiram forças química e elétrica sobre ele e o fluxo resultante é diferente de zero até o

momento em que essas forças se tenham o mesmo módulo e sentidos contrários no soluto carregado.

No caso de um soluto não carregado, existe apenas a força química aplicada sobre o soluto e quando

a força deixar de existir, pela igualdade das concentrações, o fluxo resultante do íon será nulo.

Moléculas hidrofóbicas, alguns gases como o oxigênio e o nitrogênio, por exemplo, conseguem

passar facilmente pela membrana e entrar na célula pela membrana. Pequenas moléculas polares não

carregadas, como água, glicerol, conseguem entrar na célula mas tem maior dificuldade. Grandes

moléculas polares não carregadas, glicose, sacarose, conseguem entrar, mas muito pouco, pela

membrana. Íons, como Na+, K+, não conseguem entrar na célula pela membrana. Vale ressaltar que

existem os chamados canais iônicos, que são proteínas transmembranas dispostas de maneira a formar

um canal, que permitem a entrada dos íons na célula através da membrana.

Substâncias apolares (CO2) permeiam a membrana livremente. Como a célula vegetal possui um

potencial transmembrana negativo, cátions (K+) podem ser transportados por canais, mas os ânions

(NO3–) precisam ser transportados por carreadores. O transporte com carreadores utiliza a energia

que foi gasta anteriormente pela bomba para criar um gradiente de prótons. Do mesmo modo, a saída

de cátions pela bomba para criar um gradiente de prótons. Do mesmo modo, a saída de cátions (Na+)

da célula também precisa ser realizada com gasto de energia pelos carreadores. Modificado de Taiz

& Zeiger (1998).

6.4 Mecanismos de transporte através do floema.

Carregamento do floema

O carregamento do floema faz o acúmulo de açúcares nos elementos crivados gerando um potencial

de soluto negativo (ψs), com queda do potencial hídrico (ψw), assim a água entra nos elementos

crivados aumento a pressão de turgor (ψp). Com o descarregamento do floema no dreno ocorre menor

concentração de açúcares nos elementos crivados, aumentos o potencial de soluto, ficando positivo,

assim o potencial hídrico do floema aumenta e assim a água deixa o vaso condutor. As placas crivadas

são responsáveis por manter a diferença entre o gradiente de pressão entre a fonte e o dreno, isto

porque ela aumenta a resistência durante a rota (Taiz & Zeiger, 2013). O conteúdo do floema é

empurrado como um fluxo de massa, sendo que a água é movida contra um potencial hídrico da fonte

para o dreno. O potencial de soluto não contribui para o movimento da água, mas influencia o

potencial hídrico, dessa forma o transporte de água está relacionado com o gradiente de pressão e não

com o potencial hídrico (Taiz & Zeiger, 2013).

O fluxo de pressão de massas apresenta algumas características importantes. Para que este fluxo

ocorre é necessário que as placas crivadas não estejam obstruídas, pois se isto ocorrer aumenta

consideravelmente a resistência do fluxo de massa. Outra característica é o transporte unidirecional,

sendo que o conteúdo flui em apenas uma direção por vez. Isso não significa que os solutos não

possam se locomover no floema de forma bidirecional, mas isso deve ocorrer em elementos diferentes

ou em diferentes espaços de tempo (Taiz & Zeiger, 2013). Pouca energia é gasta neste transporte,

assim condições adversas que diminuem a produção de ATP, como baixa temperatura, anoxia e

inibidores metabólicos, não param a translocação. Para que a rota aconteça é necessário que a pressão

de turgor da fonte seja maior que a do dreno, e essa pressão deve ser maior que a resistência, mantendo

assim o fluxo de velocidade do transporte (Taiz & Zeiger, 2013).

Podemos dividir o carregamento em 3 diferentes fases:

Triose-P produzida na fotossíntese (nos cloroplastos) é transportada para o citossol, onde é convertida

à sacarose. Durante à noite o amido deixa o cloroplasto, principalmente na forma de maltose, e é

convertido à sacarose. A sacarose do mesofilo se movimenta até as vizinhanças do floema,

simplasticamente, de célula a célula. Esta fase é um transporte que envolve pequenas distâncias, isto

é, algumas células, chamado de transporte de curta distância, a qual é provavelmente simplástica.

Em um processo chamado de carregamento do floema, os açúcares são transportados para os

elementos crivados e células companheiras. Uma vez dentro dos elementos crivados, a sacarose é

exportada. O transporte pelo sistema vascular é chamado de transporte de longa distância.

Os processos e de carregamento e descarregamento representam a força motriz para o transporte de

longa distância, tendo grande importância para a produção agrícola. Uma vez que, a maior transporte

de fotoassimilados para o dreno aumenta a produção de tecidos-dreno comestíveis, como os grãos

dos cereais.

O carregamento do floema pode ser via apoplástica e a simplástica com aprisionamento de polímeros

e simplástica passiva. O carregamento do floema não ocorre da mesma forma em todas as plantas.

Em regiões de clima temperado e de clima árido predomina o carregamento apoplástico, mas em

regiões de clima tropical úmido o simplástico (Kerbauy, 2004).

Os espaços intercelulares e espaços formados por poros na parede celular é chamado de apoplasto, é

neste espaço que a sacarose produzida no mesofilo circula. Quando o movimento ocorre no apoplasto

das células do mesofilo, passando pelas células companheiras até as células do elemento crivado a

via é totalmente apoplástica. Na maioria das espécies estudadas, os açúcares estão mais concentrados

nos elementos crivados e nas células companheiras do que no mesofilo. A maior concentração no

complexo elemento crivado-célula companheira faz com que o açúcar tenha que ser transportado

ativamente contra seu gradiente de concentração. Além disso, o carregamento dos elementos crivados

envolve um transportador do tipo simporte sacarose-H+, sendo que os principais são conhecidos como

SUT1 e SUC2.

A via simplastíca é uma forma de transporte que ocorre célula célula, através de conexões que são os

plasmodesmas (Kerbauy, 2004), indicando que o açúcar se move do mesofilo para os elementos

crivados via plasmodesmos. No modelo de aprisionamento de polímeros, a sacarose sintetizada no

mesofilo difunde-se da bainha do feixe para as células companheiras através de plasmodesmos. Nas

células companheiras, polímeros de três ou quatro hexoses chamados de rafinose e estaquiose,

respectivamente, são formados a partir sacarose. Como rafinose e estaquiose são relativamente

grandes os polímeros não podem difundir novamente de volta para as células da bainho do feixe, e

assim a sacarose pode continuar a se difundir para as células companheiras, mantendo o gradiente de

concentração.

Unidade 07: Respiração

7.1. Conceito. A respiração celular refere-se ao caminho bioquímico na qual ocorre a oxidação dos

compostos orgânicos para produção de energia que é utilizada para os processos essenciais a vida. Na

respiração a glicose é o substrato mais comum sendo oxidada na presença de oxigênio. A respiração

vegetal também pode ser expressa como a oxidação da molécula de 12 carbonos (sacarose) e a

redução de 12 moléculas de O2. A respiração compreende uma sequência de inúmeras reações

metabólicas, em três estágios distintos e agrupados: glicólise, ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico

ou ciclo dos ácidos tricarboxílicos ) e cadeia transportadora de elétrons. A via das pentoses fosfato é

um caminho alternativo importante do metabolismo da glicose. A via das pentoses pode ocorrer, nos

plastídios de tecidos não fotossintéticos e no citosol de todos órgãos. Esta via não gera ATP, mas

exerce algumas funções importantes para o metabolismo celular. Produz NADPH para as síntese

redutivas, tais como: as biossínteses dos ácidos graxos e dos esteroides; Produz ribose para as

biossíntese dos nucleotídeos e dos ácidos nucleicos; Produz eritrose-4-fosfato que combina-se com o

fosfoenolpiruvato (PEP) na reação inicial que produz compostos fenólicos vegetais, incluindo

aminoácidos aromáticos e precursores de lignina, flavonoides e fitoalexinas.

7.2 Relação da respiração com a fotossíntese.

A respiração promove a liberação controlada da energia armazenada em moléculas orgânicas reduzidas.

A energia química produzida ou liberada pela oxidação de diferentes substratos possibilita a formação

do ATP, nucleotídeo responsável pelo armazenamento de energia no metabolismo. Os substratos

respiratórios são armazenados nas plantas na forma de carboidratos, especialmente amido, sacarose

e hemicelulose. Outra fonte de energia são os lipídeos, particularmente os óleos (triglicerídeos).

Eventualmente, outras substâncias, como os ácidos orgânicos e os aminoácidos, também são

utilizadas. Todas as moléculas orgânicas têm origem na fotossíntese e a respiração é um processo que

apenas libera a energia química previamente armazenada pela transformação da energia

eletromagnética da luz. As equações a seguir resumem o processo de respiração aeróbia, tendo como

substratos a glicose ou a sacarose: (Glicose) C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP (Sacarose)

C12H22O11 + 12 O2 -> 12 CO2 + 11 H2O + 60 ATP Na respiração, moléculas de glicose ou de sacarose

são oxidadas. Nas reações, átomos de hidrogênio são removidos e posteriormente combinados com o

oxigênio que, por sua vez, é reduzido a água. Durante o processo, os elétrons vão de níveis mais altos

de energia para níveis mais baixos, liberando, assim, energia para a produção de ATP. Parte da energia

química produzida é dissipada como energia térmica, gerando aquecimento no organismo. Além da

respiração aeróbia, cujo rendimento energético é maior, a respiração celular também pode ocorrer em

ausência de oxigênio.

A degradação da molécula de glicose na respiração é fundamentalmente um processo de oxirredução.

Enzimas do grupo das oxirredutases, incluindo principalmente desidrogenases e oxigenases, atuam

em diversos passos da sequência degradativa. A respiração aeróbia é um dos ciclos mais importantes

do metabolismo primário. Ela envolve três etapas distintas: a glicólise, o Ciclo de Krebs e a Cadeia

de Transporte de Elétrons (CTE). A glicólise, primeira etapa da respiração, é um processo oxidativo

tipicamente citoplasmático e que não depende diretamente do oxigênio.

A glicólise apresenta como produtos vários intermediários e um saldo energético de apenas 2

moléculas de ATP produzidas por molécula de glicose oxidada. Ao final da glicólise, os produtos

formados podem apresentar diferentes funções dependendo das necessidades metabólicas e,

principalmente, da disponibilidade de oxigênio (O2) no meio. Na atmosfera terrestre, a concentração

de O2 encontra-se próxima a 21%. Todavia, nos ambientes aquáticos e no solo, essa concentração é

menor. Quando a concentração de oxigênio fica entre 2-3% (hipoxia) ou cai a 0% (anoxia), o processo

respiratório normal, envolvendo o Ciclo de Krebs e a CTE, é interrompido, passando a respiração a

ser restrita à glicólise, ativando o metabolismo fermentativo. A fermentação é um mecanismo

ineficiente para as plantas, uma vez que o número de moléculas de ATP produzidas por molécula de

glicose oxidada cai de 36 para apenas 2.

Além disso, o processo gera substâncias tóxicas para o metabolismo celular, o que causa senescência

e morte dos tecidos afetados em indivíduos não adaptados aos ambientes com baixas tensões ou

privados de oxigênio. No processo fermentativo, as moléculas de piruvato são transformadas em

lactato (fermentação lática) ou em acetaldeído, através de uma reação química que libera CO2. O

acetaldeído é, então, convertido em etanol (fermentação alcoólica). Em plantas, a fermentação

alcoólica é mais comum que a lática. Tanto o lactato quanto o etanol são tóxicos para as células,

devendo ser rapidamente eliminados para não causarem danos ao metabolismo. As plantas evitam a

anoxia/hipoxia pelo desenvolvimento de adaptações morfológicas típicas, como aerênquimas,

pneumatóforos e/ou lenticelas. Na glicólise, a oxidação da glicose (C6H12O6) é incompleta e resulta

na produção de NADH, ATP e piruvato. O piruvato é uma molécula reduzida e que ainda apresenta

grande quantidade de energia livre em suas ligações químicas.

A oxidação completa da glicose envolve a transferência do piruvato para a matriz mitocondrial. O

piruvato, no interior das mitocôndrias, é oxidado em uma série de reações bioquímicas denominadas

Ciclo de Krebs, em homenagem ao cientista alemão Hans Adolf Krebs que, em 1937, elucidou o

Ciclo do Ácido Cítrico, também conhecido como Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos. Cada molécula

de piruvato oxidada no Ciclo de Krebs gera três moléculas de CO2 (local de produção desse gás na

respiração aeróbia) e uma de ATP. Os elétrons liberados nas reações oxidativas são utilizados para

produzir moléculas de NADH e FADH2. Em todas as reações onde ocorre a síntese dessas moléculas,

enzimas desidrogenases estão envolvidas (piruvato desidrogenase, malato desidrogenase, succinato

desidrogenase, oxoglutarato desidrogenase, etc). O NADH é o principal agente redutor (fonte de

elétrons) da cadeia de transporte de elétrons (CTE) da respiração.

Como ao final da glicólise são produzidas duas moléculas de piruvato, o Ciclo de Krebs precisa dar

duas voltas para a oxidação completa da glicose, gerando CO2. Portanto, todos os produtos desse

ciclo são formados em dobro (6 moléculas de CO2, 8 moléculas de NADH, 2 moléculas e FADH2 e

2 moléculas de ATP). Na CTE, os elétrons são transportados através de pelo menos quatro complexos

protéicos, resultando no lançamento de prótons (H+) para o espaço intermembranas e na formação do

gradiente de potencial eletroquímico (força próton-motora) utilizado para a síntese de ATP. O ATP

é produzido quando os H+ retornam à matriz mitocondrial através de um complexo proteíco

denominado ATP-sintase, o que foi previsto, em 1961, por Peter Mitchell na Teoria Quimiosmótica.

Uma molécula de ATP é produzida para cada 3H+ que retornam à matriz mitocondrial. Além dos

quatro complexos protéicos, as mitocôndrias vegetais também apresentam, pelo menos, mais quatro

proteínas adicionais que atuam transferindo elétrons até o oxigênio. Estudos recentes comprovaram

que as mitocôndrias vegetais apresentam uma via auxiliar para o fluxo de elétrons, denominada

oxidase alternativa (AOX), que consegue receber elétrons sem passar por complexos protéicos

inibidos por cianeto, mantendo o fluxo de elétrons até o O2 e formando H2O. Essa via tem

importância adaptativa, relacionando-se ao aquecimento das plantas ou de porções destas, permitindo

o aumento da temperatura em climas frios e a liberação de odores atrativos para polinizadores. A

análise do rendimento da respiração aeróbia evidencia que são produzidas 36 moléculas de ATP para

cada molécula de glicose oxidada. Comparativamente ao que foi observado para a fermentação, cujo

saldo energético é de apenas 2 moléculas de ATP por molécula de glicose oxidada, tem-se um

rendimento 18 vezes maior para a respiração aeróbia. Este fato foi observado por Louis Pasteur em

estudos utilizando microorganismos anaeróbios facultativos. Ele percebeu que quando os

microorganismos eram cultivados em ausência de oxigênio, o consumo de glicose era maior do que

sob condições aeróbias, fenômeno denominado “efeito Pasteur”.

Demonstração da Respiração pelo Método do Indicador

A respiração promove a liberação controlada da energia armazenada em moléculas orgânicas

reduzidas. Todas as moléculas orgânicas têm, em última análise, origem na fotossíntese e a respiração

é um processo que apenas libera a energia química previamente armazenada pela transformação da

energia eletromagnética da luz. Nos processos fotossintéticos e respiratórios ocorrem trocas gasosas

com o meio. Além da respiração aeróbia, cujo rendimento energético é maior, a respiração celular

também pode ocorrer em ausência de oxigênio. Na respiração aeróbia há consumo de oxigênio e

liberação de gás carbônico, enquanto que, na fermentação, não há consumo de oxigênio, mas pode

haver a liberação de gás carbônico (fermentação alcoólica). O CO2 em presença de água forma ácido

carbônico. Portanto, num sistema fechado, a respiração acidifica a fase aquosa (H+), uma vez que se

estabelece um equilíbrio entre as fases gasosas e líquidas, conforme a equação a seguir: CO2 +H2O -

>H2CO3 -> H + + HCO3 - Se a fase aquosa contiver um indicador de pH, as variações na quantidade

de CO2 no ar podem ser detectadas pelas mudanças na sua coloração. O azul de bromotimol é um

indicador de pH que se apresenta verde em meio neutro, azul em meio básico e amarelo em meio

ácido e pode, portanto, ser usado para se observar a acidificação de uma fase aquosa por CO2

proveniente da respiração.

ATIVIDADE

Demonstrar a ocorrência de atividade respiratória em diferentes materiais biológicos. Demonstrar a

importância do oxigênio para a sobrevivência das plantas em ambientes alagados.

Materiais

Fermento para pão (levedo)

Sacarose (açúcar cristal)

Folhas recém-coletadas

Suporte de plástico

Sementes de feijão embebidas e secas

Solução de azul de bromotimol (100 mg de azul de bromotimol + 16 mL de NaOH 0,01 N;

completar para 250 mL com água)

Nove tubos de ensaio grandes (2,5 x 12,5 cm)

Quatro tubos de ensaio pequenos (1,0 x 8,0 cm)

Papel-alumínio

Rolhas de borracha

Conta gotas

Adoçante dietético HCl 0,1 N e NaOH 0,1 N

PROCEDIMENTOS

Enumere 9 tubos de ensaio (2,5 x 12,5 cm) e adicione 5 gotas de azul de bromotimol em cada.

Coloque no fundo dos tubos um pequeno suporte de metal ou plástico, utilizado para manter

suspensos os tubos de ensaio pequenos, que conterão os diferentes materiais biológicos a serem

investigados. Acima do suporte, coloque o tubo pequeno (1,0 x 8,0 cm) com os diferentes materiais.

Proceda da seguinte forma:

Tubo 1 - Padrão. Servirá como referência da coloração inicial do indicador;

Tubo 2 - Adicione até a metade do tubo pequeno suspensão de fermento + sacarose (5 g de fermento

+ 5 g de sacarose em 25 mL de água);

Tubo 3 - Adicione até a metade do tubo pequeno suspensão de fermento em água (5 g de fermento

em 25 mL de água);

Tubo 4 - Adicione até a metade do tubo pequeno suspensão fervida de fermento em água (5 g de

fermento em 25 mL de água);

Tubo 5 - Adicione até a metade do tubo pequeno suspensão de fermento em água + adoçante dietético

(5g de fermento + 20 gotas de adoçante dietético em 25 mL de água);

Tubo 6 - Adicione dez sementes embebidas de feijão;

Tubo 7 - Adicione dez sementes “secas” de feijão;

Tubo 8 - Coloque uma folha recém-coletada acima do indicador. Mantenha este tubo próximo a uma

fonte de luz.

Tubo 9 - Coloque outra folha recém-coletada acima do indicador. Este tubo de ensaio será enrolado

em papel-alumínio ou transferido para o escuro. Assim que todos os tratamentos estiverem prontos,

vede hermeticamente todos os tubos. Aguarde cerca de uma hora. Acompanhe a mudança de cor do

indicador, anotando as observações baseadas em um sistema de convenção para as variações de cor

da solução indicadora. Enquanto se espera o tempo necessário às observações, podemse realizar os

seguintes testes: Teste 1: Adicione 4 gotas do indicador em um tubo de ensaio e acrescente uma gota

de HCl 0,1 N. Observe e interprete os resultados. Em seguida, adicione ao mesmo tubo NaOH 0,1 N,

gota a gota, até que haja mudança de cor. Observe e interprete os resultados.

Teste 2: Adicione 4 gotas do indicador em um tubo de ensaio. Acrescente algumas gotas de água

contendo gás carbônico (água mineral gasosa), até que haja mudança de cor. Observe e interprete os

resultados. Faça o mesmo procedimento com água mineral não gasosa, de torneira ou filtrada.

Observe e interprete os resultados.

Teste 3: Adicione 10 gotas do indicador em um tubo de ensaio. Através de uma pipeta de 10 mL,

assopre vigorosamente de forma que o ar circule na solução. Observe e interprete os resultados.

PERGUNTAS DA ATIVIDADE

1. Como utilizar o bromotimol?

2. Comparando os resultados dos testes 1 e 2, o que acontece ao CO2 quando dissolvido em água?

3. Explique o resultado do teste 3.

4. O que havia em comum nos tubos onde ocorreram mudanças na coloração do indicador de pH?

5. Compare e explique os resultados obtidos nos tubos 2 a 9.

6. Para demonstrar a respiração em folhas, foi necessário cobrir o tubo de ensaio com papel alumínio.

Por quê?

7. Em ambientes naturais, as plantas terrestres e as aquáticas podem ser submetidas a condições de

anoxia/hipoxia? Quais seriam as consequências para elas da permanência nessas condições?

8. Quais estruturas morfológicas e/ou adaptações metabólicas as plantas possuem para evitar e/ou

tolerar as condições de anoxia/hipoxia?

9. Por que águas contendo plantas subaquáticas são, em geral, mais ácidas à noite do que durante o

dia?

7.3 Desdobramento dos carboidratos: glicólise, via pentose-fosfato, fermentação, ciclo dos

ácidos tricarboxílicos e cadeia respiratória.

Glicólise: A primeira etapa do processo respiratório é a glicólise. A glicólise é um processo oxidativo,

tipicamente citoplasmático (e cloroplastídico), que não depende diretamente do oxigênio. A glicólise

corresponde a cerca de 80% da respiração citossólica, sendo os 20% restantes complementados pela

Rota das Pentoses Fosfato.

Via pentose-fosfato: A rota glicolítica não é a única disponível para a oxidação de açúcares em

células vegetais. Partilhando metabólitos comuns, a Rota das Pentoses Fosfato (RPF) também pode

realizar essa tarefa numa proporção que pode chegar a até 20% do processo. As reações da RPF são

catalizadas por enzimas solúveis presentes no citosol e nos plastídios, predominando nesses últimos.

Essa rota também tem como principal substrato um açúcar de 6 carbonos, a glicose-6-fosfato (glicose-

6P). Essa rota tem como principal produto final a NADPH, outro cofator reduzido e envolvido na

bioenergética da respiração (atua em reações citossólicas, nos plastídios e na CTE).

A fermentação (respiração anaeróbia) é um mecanismo pouco eficiente para as plantas, uma vez que

o número de moléculas de ATP produzidas por molécula de glicose oxidada cai de 36 para apenas 2.

Além disso, o processo gera substâncias tóxicas para o metabolismo celular, o que acaba causando

senescência e morte dos tecidos afetados em indivíduos não adaptados aos ambientes com baixas

tensões ou ausência de oxigênio. No processo fermentativo, as duas moléculas de piruvato formadas

são convertidas em lactato (fermentação lática) ou em acetaldeído, sendo esse convertido em etanol

(fermentação alcoólica). Em plantas a fermentação alcoólica é mais comum que a lática. Tanto o

lactato quanto o etanol são tóxicos às células, devendo ser rapidamente “varridos” do metabolismo

para não causar danos.

Ciclo dos ácidos tricarboxílicos: Na glicólise pela via aeróbia, a oxidação da glicose (C6H12O6) é

incompleta, resultando na produção de moléculas de NADH, ATP e do piruvato (C3H4O3), uma

molécula ainda reduzida e que apresenta grande quantidade de energia livre em suas ligações

químicas. A oxidação completa da glicose envolve a transferência do piruvato para mitocôndria, onde

ocorrem o Ciclo de Krebs e a CTE. As mitocôndrias são organelas semi-autônomas, que apresentam

seu próprio DNA, sua própria síntese de proteínas, suas organelas, como os ribosomas (70S), por

exemplo, e duas unidades de membranas, que promovem a separação do citossol da sua matriz fluida.

Essas duas estruturas, ribosomas 70S e dupla membrana, são características que direcionam a

explicação da origem das mitocondrias para a teoria da endosimbiose, onde as mitocôndrias teriam

se originado de bactérias (procariotos tipicamente apresentam ribosomas 70S enquanto eucariotos

têm 80S) fagocitadas por células de eucariotos, daí a dupla membrana. Essas membranas apresentam

permeabilidade diferencial, sendo a externa pouco seletiva, enquanto a interna é bastante seletiva.

Entre ambas forma-se um ambiente denominado espaço inter-membranas, extremamente importante

para a síntese de ATP na fosforilação oxidativa, decorrente do funcionamento da CTE, como veremos

mais a frente. Na respiração aeróbia o piruvato é transportado para dentro da mitocôndria num

processo de troca (antiporte envolvendo OH- ) que envolve a participação de uma proteína

transportadora localizada na membrana interna das mitocôndrias. Quando o malato proveniente da

glicólise serve de substrato, esse é trocado por Pi, também num sistema de transporte do tipo antiporte.

No interior da mitocôndria, o malato é transformado em piruvato. Todo o piruvato presente na

mitocôndria é oxidado em uma série de nove reações conhecidas como Ciclo de Krebs, em

homenagem ao cientista Alemão Hans A. Krebs, que em 1937 relatou a descoberta do Ciclo do Ácido

Cítrico, fazendo jus a um Prêmio Nobel em Fisiologia e Medicina no ano de 1953, por esse trabalho.

Esse Ciclo é também conhecido como Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos (em função de dois dos

componentes do ciclo apresentarem três carboxilas).

Cadeia respiratória: Os estudos relacionados ao funcionamento da Cadeia de Transporte de Elétrons

(CTE) são muito interessantes e envolveram a utilização de inibidores do fluxo de elétrons e de

conhecimentos relacionados à biologia celular e molecular. A CTE apresenta diferentes complexos

protéicos localizados nas membranas internas das 5 mitocôndrias. Três desses complexos são

formados por proteínas transmembrana, enquanto um deles é formado por uma proteína periférica.

Um quinto complexo protéico, também localizado na membrana interna, é o responsável pela síntese

de ATP.

7.4 Desdobramento de lipídios e proteínas.

A relativa estabilidade das ligações C-C em um ácido graxo é sobrepujada pela ativação do grupo

carbonila em C-1 por meio da ligação da CoA, que permite a oxidação nos glioxiossomos passo a

passo do grupo acil-CoA na posição C-3 ou posição , daí o nome -oxidação (LEHNINGER, 2002).

Nas plantas, o papel biológico da -oxidação, que ocorre nos peroxissomos e glioxissomos, é fornecer

precursores biossintéticos que se originam de lipídios armazenados. A via da -oxidação não é uma

fonte importante de energia metabólica nos vegetais; de fato, as mitocôndrias das plantas não contêm

as enzimas da -oxidação (LEHNINGER, 2002).

Em uma célula de planta, a biossíntese de proteína ocorre em três locais diferentes, no citosol, no

estroma do cloroplasto e na matriz mitocondrial. A síntese de proteínas, um processo chamado de

tradução, necessita de um intercâmbio coordenado com mais de uma centena de macromoléculas.

São necessárias moléculas de RNA transportador (tRNA), RNA mensageiro (mRNA), enzimas

ativadoras, nove fatores de iniciação, além dos ribossomos. Uma proteína é sintetizada no sentido

amino-carboxila pela adição seqüencial de aminoácidos à ponta carboxila da cadeia polipeptídica em

crescimento (3'-5') (HELDT, 2005).

7.5 Fatores que afetam a respiração.

Os principais substratos do processo respiratório são carboidratos e lipídios. Estes substratos se

originam, direta ou indiretamente, do processo fotossintético. Apesar de as taxas respiratórias em

diferentes órgãos em fases distintas de desenvolvimento poderem variar dentro de determinados

limites, todas as células têm que manter constante (ou pelo menos dentro de limites mais estreitos) a

taxa respiratória de manutenção. Qualquer fator que influencie na diminuição das quantidades destes

substratos, e sua produção, ocasionará uma diminuição da taxa respiratória do órgão ou mesmo da

planta inteira. Portanto, a taxa respiratória não pode estar diretamente ligada à fotossíntese, pois este

processo é extremamente variável e dependente de condições ambientais cíclicas (luz e temperatura).

Neste sentido, a solução parcial para o problema da disponibilidade contínua de substrato é o

armazenamento de açúcares de reserva para que seja possível sua utilização durante o período em que

a fotossíntese não está ativa. Nas folhas, as plantas armazenam amido durante o período fotossintético

e o mobilizam para processos respiratórios, de forma que variações muito intensas nas taxas

respiratórias possam ser minimizadas. Neste caso, a reserva pode ser considerada de curto prazo, pois

o processo inteiro leva um único dia. Há outras formas de armazenamento de reserva por um prazo

mais longo para o processo respiratório relacionado ao desenvolvimento da planta como um todo ou

de parte dela. Assim, por exemplo, em sementes que armazenam grandes quantidades de amido,

polissacarídeos de reserva de parede celular ou lipídios. Tais compostos são degradados após a

germinação, e devido ao fato de seus produtos de degradação gerarem compostos distintos (sacarose

no caso de carboidratos, aminoácidos no caso das proteínas e acetil-CoA no caso dos lipídios), a

existência de respiração ligada à mobilização de diferentes compostos de reserva pode ser observada

através do quociente respiratório.

Em sementes, a degradação das reservas ocorre rapidamente, e isso aumenta, intensamente e de forma

transitória, a disponibilidade de substrato para a respiração, o que permite um maior consumo de

energia durante o desenvolvimento inicial da plântula. Um processo similar pode ocorrer em plantas

herbáceas do cerrado que possuem órgãos subterrâneos de reserva. Em plantas da família das

asteráceas, por exemplo, os órgãos subterrâneos podem armazenar quantidades substanciais de

frutanos (polissacarídeos compostos principalmente de frutose). Plantas que adotam esta estratégia

de estabelecimento e adaptação podem perder a parte aérea durante o inverno, quando há baixa

disponibilidade de água no cerrado. Na primavera, ocorre a degradação do polissacarídeo produzindo

frutose livre, que acaba sendo metabolizada à sacarose, a qual é transportada para os órgãos em

crescimento que utilizam os açúcares no processo respiratório com taxas mais elevadas devido ao

processo de desenvolvimento em curso.

Oxigênio

O oxigênio pode afetar a respiração vegetal devido ao seu papel como substrato no processo como

um todo. A 25° C, a concentração de equilíbrio do O2 em uma solução aquosa saturada de ar (21%

O2) é de aproximadamente 250 mM. O valor de Km para o oxigênio na reação catalisada pela

citocromo c oxidase é bem abaixo de 1 mmol, de modo que não deveria haver dependência aparente

da taxa respiratória das concentrações externas de O2. No entanto, as taxas respiratórias decrescem

se a concentração atmosférica de oxigênio fica abaixo de 5% para tecidos inteiros ou abaixo de 2 a

3% para fatias de tecidos. Tais observações mostram que a difusão de oxigênio pela fase aquosa dos

tecidos impõe uma limitação à respiração.

A limitação na difusão imposta por uma fase aquosa enfatiza a importância dos espaços intercelulares

de aeração encontrados em tecidos vegetais para a disponibilidade de oxigênio nas mitocôndrias. Se

não houvesse uma rota de difusão gasosa pela planta, as taxas de respiração celular de muitas plantas

seriam limitadas por um suprimento insuficiente de oxigênio.

Concentração de O2: É prática comum na armazenagem comercial de frutas tirar vantagem dos efeitos

do oxigênio atmosférico e da temperatura na respiração e estocar frutas a baixas temperaturas, sob 2

a 3% de oxigênio e de 3 a 5% de CO2. A temperatura baixa reduz a taxa respiratória, assim corno a

redução do oxigênio. Em vez de condições anóxicas, são usados baixos níveis de oxigênio, para

impedir que as tensões de oxigênio nos tecidos baixem ao ponto de estimular o metabolismo

fermentativo.

O dióxido de carbono tem um efeito inibitório direto muito limitado sobre a taxa respiratória em

concentrações entre 3 a 5%, que estão bem além da concentração de 0,036% (360 ppm) normalmente

encontrada na atmosfera. A concentração atmosférica de CO2 está aumentando rapidamente corno

resultado de atividades humanas, projetando-se urna duplicação, para 700 ppm, antes do final do

século XXI.

Comparadas a plantas cultivadas a 350 ppm de CO2, as plantas cultivadas a 700 ppm de CO2

apresentaram uma taxa de respiração mitocondrial (expressa por unidade de massa seca) 20% mais

lenta. O número de mitocôndrias por unidade de área celular na verdade dobra no ambiente rico em

CO2. Tais dados implicam que a atividade respiratória na luz é que pode aumentar em concentrações

de CO2 mais elevadas. Assim, hoje é um assunto em debate, corno as plantas que crescem em

concentrações elevadas de CO2 vão contribuir para o ciclo global de carbono.

Saturação de água/baixo O2

Limitações na difusão são ainda mais significativas quando os órgãos vegetais estão crescendo em

um meio aquoso. Quando as plantas são cultivadas hidroponicamente, as soluções precisam ser

vigorosamente arejadas para manter altos níveis de oxigênio nas vizinhanças das raízes. O problema

da disponibilidade de oxigênio também surge em plantas que crescem em solos muito úmidos ou

alagados.

Algumas plantas, particularmente as árvores, têm uma distribuição geográfica restrita, devido à

necessidade de manterem um suprimento de oxigênio às raízes. Por exemplo, Cornus florida e

Liriodendron tulipifera podem sobreviver apenas em solos bem drenados e arejados, pois suas raízes

não podem tolerar mais do que uma exposição limitada a condições de alagamento. Por outro lado,

muitas espécies vegetais estão adaptadas a crescerem em solos alagados. Espécies herbáceas, como

o arroz e o girassol, freqüentemente dependem de uma rede de espaços intercelulares (aerênquima)

estendendo-se das folhas às raízes para fornecer uma rota gasosa contínua para o movimento de

oxigênio às raízes alagadas.

Árvores que têm raízes muito profundas e que crescem em solos úmidos sofrem limitações no

suprimento de oxigênio que podem ser severas. Tais raízes precisam sobreviver com metabolismo

anaeróbico (fermentativo) ou desenvolver estruturas que facilitem o movimento de oxigênio até as

raízes. Exemplos de tais estruturas são projeções radiculares, chamadas de pneumatóforos, que se

projetam para fora da água e proporcionam uma rota gasosa para a difusão do oxigênio para dentro

das raízes. Os pneumatóforos são encontrados em Avicennia e Rhizophora, árvores que crescem em

mangues sob condições de alagamento continuo.

Temperatura

A temperatura é um fator de grande influência na respiração principalmente durante os estádios

iniciais de desenvolvimento da planta. A respiração tipicamente aumenta com a temperatura. Porém,

a parte aérea do vegetal, em qualquer estádio de desenvolvimento, num período de 24 horas, está

sujeita a grandes e rápidas mudanças de temperatura, o que não aconteceu na mesma proporção com

as raízes. Na maioria dos tecidos, um aumento de 10°C, na faixa entre 5°C e 25°C, dobra a taxa

respiratória devido ao aumento da atividade enzimática. Abaixo de 5°C, há uma diminuição drástica

da taxa respiratória, enquanto ao redor de 30°C ocorre um aumento considerável, porém não tão

rápido como na faixa de 5-25°C. Tal resultado é interpretado como decorrência do fato de o O2 não

difundir com eficiência nesta temperatura. Temperaturas iguais ou superiores a 40°C diminuem a

eficiência da respiração devido ao comprometimento ou danos à maquinaria enzimática ou em

conseqüência do rompimento das membranas de organelas.

As temperaturas baixas são utilizadas para retardar as taxas respiratórias pós-colheita durante a

estocagem de frutas e verduras. No entanto, podem surgir complicações decorrentes desta

armazenagem. Por exemplo, quando tubérculos de batata são armazenados a temperaturas superiores

a 10 °C, a respiração e as atividades metabólicas ancilares são suficientes para permitir brotação.

Abaixo de 5 °C, as taxas respiratórias e a brotação são reduzidas na maioria dos tecidos, mas a

degradação do amido armazenado e sua conversão a sacarose conferem uma doçura indesejável aos

tubérculos. Corno meio termo, as batatas são armazenadas entre 7 e 9 °C, o que impede a quebra do

amido e, ao mesmo tempo, minimiza a respiração e a germinação.

Lesões e ferimentos

Qualquer dano mecânico ou ataque de microrganismos sofrido por uma planta gera um aumento da

sua taxa respiratória. Esse aumento pode ser devido à atividade do meristema de cicatrização ou à

produção de substâncias de defesa da planta, uma vez que o tecido terá que produzir substâncias do

metabolismo secundário relacionadas à defesa e também sintetizar macromoléculas relacionadas à

construção dos novos tecidos durante a cicatrização. Os mecanismos de comunicação interna que

levam à resposta dos tecidos à injúria envolvem uma reação inicial de hipersensibilidade, seguida

pela produção de substâncias que irão alterar o metabolismo dos tecidos adjacentes (hormônios, por

exemplo) e, consequentemente, aspectos quantitativos e qualitativos e esse processo respiratório.

Unidade 08: Crescimento, Diferenciação e Morfogênese

8.1 Conceito.

a) Crescimento: O crescimento é um termo quantitativo, relacionado a mudanças de tamanho e, ou

massa. Em muitos estudos é importante medir o crescimento e, teoricamente, isto pode ser feito

acompanhando-se o aumento em volume, massa, número de células, quantidade de protoplasto, além

do aumento em complexidade. No entanto, em plantas, o crescimento é avaliado principalmente por

aumento em tamanho ou em massa. Aumentos em tamanho são freqüentemente obtidos pela medição

da expansão em uma única direção, tais como altura e diâmetro de caules, ou área das folhas.

Aumentos em massa são freqüentemente obtidos, colhendo-se as plantas e pesando-as rapidamente.

Neste caso, obtém-se a produção de matéria fresca, o qual é bastante variável por que depende do

“status” hídrico da planta. Em muitos casos, particularmente quando estamos interessados na

produtividade da planta, é preferível utilizar a matéria seca para avaliação do crescimento. A matéria

seca é geralmente obtida, pesando-se as plantas ou parte delas após secagem da matéria fresca em

estufa de circulação forçada de ar (60 a 80oC), durante um período de 24 a 48 horas.

b) Diferenciação: A diferenciação é um termo qualitativo, que reflete um processo de especialização

celular. A diferenciação ocorre quando uma célula em divisão produz duas novas células que serão

destinadas a assumir diferentes características anatômicas e diferentes funções. Por exemplo, nos

estádios iniciais de desenvolvimento da plântula, a divisão do zigoto produz células que produzirão

as raízes e outras que darão origem à parte aérea. Células não especializadas de parênquima se

diferenciam e produzem vasos do xilema e elementos crivados do floema, cada tipo com sua

morfologia distinta e funções especializadas. Em muitos casos, uma célula madura (diferenciada ou

especializada), poderá ser estimulada a funcionar como uma célula meristemática. Isto é conhecido

como desdiferenciação. Em cultura de tecidos, uma célula madura (célula viva contendo o núcleo)

poderá originar uma planta inteira. Esta habilidade para desdiferenciar-se demonstra que células

diferenciadas (maduras) retém toda a informação genética requerida para o desenvolvimento de uma

planta inteira, uma propriedade conhecida como totipotência. Isto é bastante útil na cultura de tecidos

e permite a obtenção dos clones. Obs: Esta separação é artificial, porque as células se diferenciam

enquanto crescem.

c) Morfogênese: (do grego, “morfo", forma, e “gênesis”, origem), o qual refere-se à aparência ou

desenvolvimento estrutural da planta (formação dos diferentes órgãos).

8.1 Ciclo de desenvolvimento.

A divisão celular consiste de algumas etapas que constituem o Ciclo Celular. O ciclo celular consiste

de uma série de eventos relacionados com o tempo de replicação do DNA em relação à divisão nuclear

As fases do ciclo são: mitose; período de crescimento da célula (G1); período de replicação do DNA

(S); segundo período de crescimento da célula, quando ela se prepara para a divisão (G2); mitose.

Após a mitose e a citocinese, uma das células filhas poderá não continuar no ciclo e, ao invés de se

dividir, irá se expandir e se diferenciar. Esta célula desdiferenciada ganha novamente a habilidade

para se dividir, ou seja, ela se torna novamente uma célula meristemática. A célula pode se dividir

em diferentes planos. Este processo de divisão celular (citocinese) começa com a produção da placa

celular, a qual surge pela fusão de centenas de vesículas, contendo polissacarídeos (como as pectinas

e hemiceluloses), provenientes do complexo de Golgi. Estas vesículas se fundem nos dois lados da

placa celular, liberando o seu conteúdo para formar a lamela média e parede primária e a junção das

membranas das vesículas produzem as novas membranas das células filhas.

Subsequentemente, a formação da parede celular primária de cada célula filha ocorre, em parte, pela

fusão de outras vesículas do complexo de Golgi, as quais contém outros polissacarídeos

(hemiceluloses). Os microtúbulos parecem guiar as vesículas para formar a placa celular durante a

citocinese. Quando a nova parede (que se forma na placa celular) entre as células filhas está em um

plano aproximadamente paralelo à superfície da planta, a divisão é dita periclinal. Alternativamente,

se a nova parede é formada perpendicularmente à superfície, a divisão é anticlinal. Não somente a

direção da divisão celular é determinante para a formação das várias estruturas. A direção do

crescimento celular á também crítico. O crescimento celular depende da absorção de água, como será

mostrado posteriormente. Em órgãos com formatos alongados, como caules e raízes, o processo de

crescimento ocorre principalmente em uma determinada direção. Neste caso, nos referimos ao

alongamento celular. É claro, as novas células formadas pela divisão crescem normalmente nas três

dimensões, porém nos caules e raízes o crescimento torna-se um “alongamento”. Isto ocorre também

nas folhas de gramineas. Por que uma célula alonga principalmente em uma dimensão e não se

expande igualmente em todas as direções? A parede primária de células em crescimento consiste de

microfibrilas de celulose que formam uma matriz semicristalina com polissacarídeos não celulósicos

(hemiceluloses) embebida em uma matriz de gel (pectinas) e algumas proteínas. Se a orientação das

novas microfibrilas é ao acaso, o crescimento tende a ser igual em todas as direções (como é o caso

de frutos frescos e células do mesofilo esponjoso). Em muitos casos, no entanto, a orientação das

microfibrilas não é completamente ao acaso, ocorrendo predominantemente ao longo de um eixo. O

crescimento é, então, favorecido na direção perpendicular a este eixo, produzindo o alongamento de

raízes, caules e pecíolos. Os microtúbulos parecem guiar o processo de deposição e orientação das

microfibrilas de celulose.

8.1. Medidas de crescimento.

Um caso interessante de crescimento é o de sementes germinando em água e mantidas em escuro

total. Neste caso, observam-se aumentos em tamanho e matéria fresca e decréscimo na matéria seca

total, devido à perda de CO2 na respiração (perdas que ocorrem durante a degradação das reservas).

Embora a matéria seca total da plântula crescendo no escuro seja menor que da semente original, as

partes em crescimento (caules e raízes) aumentam em matéria seca devido à importação das reservas

estocadas nas sementes. Além do crescimento absoluto (aumento em altura ou massa em função do

tempo) pode-se calcular também, o crescimento relativo, o qual representa o crescimento por unidade

de tempo, expresso em uma base comum (massa inicial, área inicial, comprimento inicial). Por

exemplo, se tivermos duas folhas, uma com 5 e outra com 50 cm2 de área, e as duas tiverem crescido

2,0 cm2 /dia. Neste caso, podemos afirmar que o crescimento absoluto de ambas as folhas foi o mesmo

(2,0 cm2 /dia). Mas a folha inicialmente menor teve um crescimento relativo dez vezes maior do que

a folha que tinha inicialmente uma área de 50 cm2 .

8.2 Localização do crescimento no tempo e no espaço.

O crescimento das plantas é concentrado em regiões de divisão celular conhecidas como

MERISTEMAS. Praticamente, todas as divisões nucleares (mitoses) e todas as divisões celulares

(citocineses) ocorrem nas regiões meristemáticas. Após a divisão celular algumas células

permanecem como células meristemáticas e outras se expandem (zona de alongamento) e produzem

o crescimento do órgão. Estes meristemas se classificam como: • Meristemas Apicais – Encontrados

nos ápices e ramificações (meristemas axilares e das raízes laterais) de caules e raízes – PRODUZEM

O CRESCIMENTO EM EXTENSÃO. • Meristemas Intercalares – Encontrados entre tecidos

maduros ou diferenciados (por exemplo, acima do nó no colmo e na base da folha de milho) –

PRODUZEM O CRESCIMENTO EM EXTENSÃO. • Meristemas Laterais – Situados paralelamente

ao eixo do órgão em que se encontram – PRODUZEM O CRESCIMENTO EM DIÂMETRO.

8.3 Análise matemática do crescimento.

Muitos pesquisadores têm plotado o tamanho ou a massa de um organismo em função do tempo,

produzindo uma curva de crescimento. Frequentemente, a curva pode ser obtida com uma simples

função matemática, tais como uma linha reta ou uma curva simples, tipo sigmóide. Embora os

processos físicos e metabólicos que produzem o crescimento sejam bastante complexos para serem

explicados em um simples modelo, as curvas simples são úteis na interpolação dos dados

experimentais. Em adição, as equações ajustadas podem ser utilizadas para separar os efeitos de

tratamentos (como regime de irrigação ou aplicação de um regulador de crescimento) sobre o

crescimento de plantas ou de parte delas (órgãos).

Unidade 09: Reguladores do crescimento

9.1. Conceito de hormônios e de reguladores de crescimento.

As plantas são organismos multicelulares complexos, necessitando para o seu desenvolvimento

ordenado um eficiente meio de comunicação entre os órgãos, tecidos e células via simplasto e/ou

apoplasto. Para coordenar suas atividades, as células da planta devem ser capazes de se comunicar,

frequentemente, a diferentes distâncias (entre órgãos, por exemplo). Os principais meios de

comunicação intercelular são os hormônios, mensageiros químicos primários que carregam a

informação entre células e, desta forma, coordenam o seu crescimento e desenvolvimento. Estudos

realizados durante o último século têm mostrado que o desenvolvimento da planta é regulado por

cinco principais classes de hormônios: auxinas, giberelinas, citocininas, etileno e ácido abscísico

Moléculas receptoras específicas correspondentes para cada um dos hormônios de planta, estão

presentes nas células alvo (onde o hormônio vai atuar) e a ligação hormônio-receptor parece

desencadear as respostas. Dentre estas classes de hormônios, algumas promovem enquanto outras

inibem vários aspectos do desenvolvimento da planta, podendo as mesmas atuar sozinhas ou em

conjunto (balanço hormonal).

Conceitos de hormônio e de reguladores de crescimento: De acordo com a maioria dos fisiologistas

de plantas, o Hormônio de planta (também chamado de Fitohormônio) é um composto orgânico

sintetizado em uma parte da planta e translocado para outra parte, onde, em baixa concentração, causa

uma resposta fisiológica (promoção ou inibição). Para esclarecer esse conceito precisamos fazer as

seguintes considerações. • Como os hormônios devem ser sintetizados pelas plantas, nutrientes

inorgânicos (como Ca2+ e K+) que causam importantes respostas nas plantas, não são considerados

hormônios; • A definição também estabelece que o hormônio deve ser translocado na planta. No

entanto, isso não significa que o hormônio não possa causar alguma resposta na célula onde ele é

produzido; • Os hormônios são geralmente efetivos em concentrações em torno de 1,0 µM. Muitas

outras substâncias orgânicas sintetizadas pelas plantas, como sacarose, aminoácidos, ácidos

orgânicos, vitaminas, etc., não se incluem no conceito de hormônio, pois são encontradas em elevadas

concentrações nas plantas (1,0 a 50 mM). O termo Regulador de Crescimento é normalmente

empregado para compostos naturais (fitohormônio e substâncias naturais de crescimento) ou

sintéticos (hormônio sintético e regulador sintético) que exibem atividade no controle do crescimento

e desenvolvimento da planta.

9.2. Ocorrência.

O AIA é de ocorrência bastante ampla no reino vegetal. Ela ocorre principalmente em órgãos que

estão crescendo ativamente, tais como meristemas apicais da parte aérea, folhas jovens e frutos em

desenvolvimento e são os sítios primários da síntese de AIA. Embora o AIA possa ser produzido,

também, em folhas maduras e nos ápices radiculares, o nível de produção nesses tecidos é usualmente

baixo. O AIA é estruturalmente relacionado ao aminoácido triptofano e estudos iniciais sobre a

biossíntese de AIA foram focalizados tendo o triptofano como o provável precursor. A partir desses

estudos, quatro vias de síntese de AIA dependentes de triptofano foram identificadas em plantas e

bactérias. Destas, a via do Ácido Indol-3-Pirúvico (IPA) é, provavelmente, a mais comum nos

vegetais. Esta via envolve a desaminação do triptofano para formar o IPA, o qual sofre

descaboxilação, produzindo o Indol-3-Acetaldeído. Este é finalmente oxidado por uma desidrogenase

específica, produzindo o AIA.

Em adição a estas vias dependentes de triptofano, estudos com mutantes têm evidenciado que as

plantas podem, também, sintetizar AIA por uma via independente do triptofano. Um desses estudos

foi conduzido com um mutante de milho (orp), o qual apresenta mutações nos genes que codificam

as subunidades da enzima que catalisa a etapa final da biossíntese de triptofano, a sintase do

triptofano. O mutante orp requer aplicação exógena de triptofano para sobreviver. No entanto, o

mutante é incapaz de converter triptofano em AIA, mesmo quando o triptofano é oferecido em altas

concentrações. A despeito do bloqueio da biossíntese de triptofano, o mutante orp contém um

montante de AIA que é cerca de 50 vezes maior do que o da planta tipo selvagem (que não sofreu

mutação e, portanto sintetiza o triptofano normalmente). Essa é uma clara evidência para a existência

de vias de biossíntese de AIA independentes do triptofano. Estudos posteriores com mutantes de

Arabidopsis e de tomate (que também eram incapazes de sintetizar triptofano) estabeleceram que o

ponto de ramificação para a biossíntese de AIA (sem passar pelo triptofano) é o Indol ou seu

precursor, Indol-3-Glicerol Fosfato.

Embora o AIA na forma livre seja a forma biologicamente ativa do hormônio, a maioria de auxinas

em plantas é encontrada na forma conjugada, em um estado covalentemente ligada. Estas auxinas

conjugadas têm sido identificadas em todas as plantas superiores e são geralmente inativas. O AIA

forma conjugados com compostos de baixa massa molecular (glicose, mio-inositol e amidas) e de alta

massa molecular (glicoproteínas). A maior concentração de auxinas livre nas plantas é encontrada

nos meristemas apicais da parte aérea, folhas jovens e frutos em desenvolvimento, visto que eles são

os sítios primários da síntese de auxinas. No entanto, como a auxina é amplamente distribuída na

planta, o metabolismo do AIA conjugado pode contribuir na regulação dos níveis de auxina livre. Por

exemplo, durante a germinação de sementes de milho, o conjugado AIA-mio-inositol é translocado

do endosperma para o coleóptilo, via floema, e, parte do AIA livre produzido no coleóptilo pode

derivar da hidrólise desse AIA conjugado. Como a biossíntese, a degradação enzimática de AIA

parece envolver mais de uma via. Uma dessas vias pode envolver a oxidação do AIA por enzimas

peroxidases, produzindo o 3- metilenooxidol, via descarboxilação. No entanto, um processo de

oxidação, sem que ocorra descaboxilação, parece ser a principal via de degradação do AIA, a qual

produz o Ácido Oxidol-3-Acético. Assim, o “pool” de AIA no citosol é metabolisado, tanto via

conjugação como pelo catabolismo puramente oxidativo (sem descarboxilação). O “pool” de AIA

nos cloroplastos é protegido desses processos, sendo regulado pela quantidade de AIA no citosol,

com o qual ele está em equilíbrio.

Unidade 10: Frutificação, Dormência e Germinação

10.1. Crescimento das flores, polinização e mecanismos de fecundação cruzada.

Crescimento das flores: As flores das angiospermas consistem, usualmente, de quatro partes

(verticilos): sépalas, pétalas, estames e pistilo. Quando a parte feminina (pistilo) e masculina (estame)

são encontradas na mesma flor, ela é denominada hermafrodita ou perfeita. Certas espécies, no

entanto, produzem flores unissexuais ou imperfeitas, sendo que se podem encontrar flores masculinas

e femininas na mesma planta (monóicas) ou em plantas diferentes (dióicas).

As diferentes partes florais afetam diferentemente o crescimento da flor. Remoção dos estames do

botão floral provoca redução na mobilização de açúcares para a flor e parada da atividade mitótica do

ovário. O ovário, por sua vez, tem importante papel no desenvolvimento da flor, sendo uma rica fonte

de auxina. Geralmente, remoção do ovário durante o desenvolvimento da flor provoca a abscisão

desse órgão. Em Coleus, a remoção do estigma causou abscisão da flor e, neste caso, nem aplicação

de auxina nem de pólen (rico em auxinas) foi efetiva em prevenir essa abscisão. Entretanto, em muitos

casos, aplicação de auxinas ou de giberelinas, em concentrações adequadas, retardam a abscisão

floral. O crescimento do pedicelo, em muitas espécies, está diretamente relacionado a estímulos

produzidos pelo botão floral. Em Fritillaria e Cyclamem ocorrem dois máximos de crescimento: o

crescimento mais rápido ocorre antes da abertura da flor; há então uma parada no crescimento que

corresponde à abertura da flor; e outra fase de crescimento que ocorre simultaneamente ao

estabelecimento do fruto. As duas etapas de rápido crescimento coincidem com os períodos de

máxima produção de auxinas pela flor.

Além de grandes quantidades de auxinas produzidas pelo pólen e pelo ovário, há provas de que as

pétalas de algumas flores também produzem auxinas durante sua abertura. Acreditase que as auxinas

produzidas nessas partes florais atuem no retardamento da abscisão da flor. A formação de flores

unissexuais, por sua vez, parece envolver a supressão do crescimento de uma das partes florais, visto

que, numa flor feminina são encontrados rudimentos das partes masculinas e em flores masculinas

são encontrados rudimentos do pistilo. Esse processo de determinação do sexo é geneticamente

regulado, porém, ele é também influenciado por fatores ambientais, tais como fotoperíodo e “status”

nutricional, e estes efeitos ambientais podem ser mediados por giberelinas, auxinas e etileno. Em

milho, por exemplo, flores masculinas são restritas ao pendão e as femininas às espigas. Exposição

dessas plantas a dia curto ou frio durante a noite provoca aumento de cerca de 100 vezes no nível de

giberelinas endógenas e, simultaneamente, isto causa feminilização das flores do pendão. Por outro

lado, aplicações de auxinas, em concentrações relativamente altas, também estimulam a formação de

flores femininas em pepino e abóbora. Como as concentrações de auxinas utilizadas estimulam a

produção de etileno endógeno, é provável que as auxinas atuem indiretamente, estimulando a síntese

de etileno. Nestes casos, o papel primário dos hormônios vegetais parece ser a supressão do

desenvolvimento do estame.

Polinização: O grão de pólen, produzido na antera, é o gametófito masculino das plantas superiores.

Em angiospermas são encontrados dois tipos de grãos de pólen: Um tipo mais primitivo é binucleado,

apresentando, no estágio de micrósporo, um núcleo vegetativo e outro generativo. Os grupos de

angiospermas mais avançados (Compositae, Graminea, etc.) possuem pólens trinucleados. Quando o

pólen dessas plantas é liberado ele possui um núcleo vegetativo e dois núcleos generativos. OBS:

Microsporogênese é o processo que conduz à formação de micrósporos ou grãosde-pólen jovens;

Macrosporogênese é o processo que conduz à formação do macrósporo ou saco embrionário jovem.

A polinização consiste na deposição do grão-de-pólen sobre o estigma do pistilo, e ela ocorre por

diversas maneiras (vento, insetos, artificial, autofecundação, etc.). Após a polinização, o grão-de-

pólen germina, se o estigma for receptivo, produzindo um tubo polínico. Enzimas secretadas pelo

pólen intensificam o crescimento do tubo polínico através do estilete e, eventualmente, através da

micrópila. Já as substâncias produzidas no pistilo parecem causar um crescimento quimiosmótico

positivo do tubo polínico. Além disso, um gradiente de Ca2+ do estigma até o óvulo, parece estar

relacionado, também, com a orientação e crescimento do tubo polínico (quimiotropismo). Após a

polinização e a germinação do grão-de-pólen, ocorre a dupla fecundação. No caso do pólen

binucleado, o núcleo generativo divide-se mitoticamente após a germinação para formar o esperma.

Pólens trinucleados já possuem dois núcleos generativos que se diferenciam em gametas funcionais.

Quando o pólen alcança o óvulo, os dois núcleos generativos são depositados no saco embrionário,

onde um deles se funde com a célula ovo para produzir o zigoto diplóide e o outro se funde com dois

núcleos polares. O zigoto poderá se desenvolver para formar o embrião (2n), enquanto o tecido

triplóide, resultante da fusão de um núcleo espermático com os dois núcleos polares, poderá originar

ou não o endosperma (3n).

Mecanismos de fecundação cruzada A importância da reprodução sexual está no cruzamento de

genomas separados e no vigor e na adaptabilidade genética. Para que isso ocorra, o óvulo deve ser

fertilizado por pólens de outras plantas. A polinização pode ser direta, a qual permite a

autofecundação, ou cruzada, a qual favorece a fecundação cruzada. A proximidade do pólen da

mesma flor proporciona uma alta probabilidade de autopolinização, a não ser que ocorram

mecanismos que facilitem a polinização e a fecundação cruzada. Dentre estes mecanismos podemos

destacar: autoesterilidade masculina, protandria (dicogamia na qual os órgãos sexuais masculinos se

desenvolvem antes dos femininos), protoginia (órgãos sexuais femininos amadurecem antes dos

masculinos), heterostilia, monoicia (flores unissexuais na mesma planta) e dioicia (flores unissexuais

em plantas diferentes). Os mecanismos que facilitam a polinização cruzada e, consequentemente, a

fecundação cruzada, está relacionada com agentes polinizadores, como vento, insetos, etc. Por

exemplo, as espécies polinizadas pelo vento produzem enormes quantidades de pólen, os quais podem

apresentar projeções em formas de asas que facilitam sua flutuação no ar, e também podem apresentar

adaptações do pistilo, o qual pode ser longo e filamentoso. A polinização por insetos, por sua vez, é

restrita às angiospermas. Os insetos são atraídos pela forma, pela cor e pelo odor da flor. Em membros

de Aracea, por exemplo, justamente antes da polinização, os tecidos da inflorescência exibem um

dramático aumento na taxa de respiração via oxidase alternativa (rever RESPIRAÇÃO). Esse tipo de

respiração provoca aumento de temperatura e, como consequência, a liberação de compostos voláteis,

cujos odores servem como atraentes para insetos. Em muitos casos, mesmo que ocorra a

autopolinização, a autofecundação pode ser evitada por reações de incompatibilidade que ocorrem

entre o pólen ou o tubo polínico e as partes do gineceu (estigma, estilete e ovário). Muitas vezes, o

ovário inibe a germinação e o crescimento do tubo polínico. Em pólens trinucleados é comum a auto-

incompatibilidade por inibição da germinação do pólen. Inibidores no estilete podem, também, evitar

o crescimento do tubo polínico, se a germinação de um pólen da mesma planta ocorrer. Mesmo que

o tubo polínico cresça, a fertilização pode ser prevenida, podendo o óvulo ser outro local de

incompatibilidade. Por outro lado, existem alguns mecanismos que podem favorecer a

autopolinização e, consequentemente, a autofecundação. Por exemplo, em certas espécies de

Epilobium, o estilete cresce continuamente e, caso não ocorra a polinização cruzada, ele acaba

entrando em contato direto com as anteras da mesma flor. Nas plantas clistogâmicas, a

autopolinização é a regra. Em violeta, por exemplo, o pólen germina dentro da antera, atravessando

as paredes e atingindo o estilete, ainda quando o botão floral é bem jovem.

10.2. Estabelecimento e crescimento dos frutos.

Estabelecimento do fruto: Na maioria das plantas com flores acredita-se que o estímulo inicial para o

desenvolvimento do fruto resulte da polinização. Havendo sucesso na polinização, inicia-se o

crescimento do óvulo, um processo conhecido como Estabelecimento do Fruto. A polinização e não

a fertilização é que corresponde ao estímulo inicial. Não se sabe exatamente como a polinização

estimula o desenvolvimento inicial do fruto. No entanto, o pólen é uma excelente fonte de auxinas e,

é provável que as auxinas produzidas no pólen atuem no estabelecimento do fruto. Por exemplo, em

algumas espécies, frutos sem sementes podem ser produzidos naturalmente ou elas podem ser

induzidas a produzir tais frutos pelo tratamento de flores não polinizadas com auxinas

(PARTENOCARPIA). Em adição, o ovário em desenvolvimento também produz auxina, a qual

juntamente com outros hormônios (giberelinas e etileno) contribuem para a regulação do

desenvolvimento do fruto. OBS: A produção de frutos partenocárpicos pode ocorrer por três

diferentes maneiras: • Desenvolvimento do ovário sem que ocorra polinização (variedades de Citrus,

banana, abacaxi, tomate, pimentão, abóbora, pepino, etc.); • Ocorrendo polinização sem fertilização

(orquídeas); • Através do aborto de embriões (uvas, pêssego, cereja).

Crescimento dos frutos: Uma vez que o fruto esteja estabelecido e o ovário em expansão, o processo

de maturação ocorre. Maturação pode ser definida como o processo que leva o fruto até o seu

crescimento final (o órgão atingiu o ápice do seu desenvolvimento). Após a maturação, ocorrem

mudanças qualitativas que são referidas como amadurecimento (termo empregado para muitos frutos

carnosos).

10.3. Dormência e germinação.

Após a dispersão, as sementes tornam-se independentes da planta-mãe e encontram-se prontas para

germinar, o que acontece caso elas não apresentem dormência e estejam em ambientes cujas

condições de temperatura, água, luminosidade e disponibilidade de oxigênio, entre outros, sejam

adequadas. Quando recém-colhidas, as sementes de algumas espécies somente germinam em

presença de luz. Todavia, essa exigência vai desaparecendo à medida que elas envelhecem.

Determinadas faixas da radiação visível são mais eficientes do que outras na indução da germinação

e devem, portanto, ser captadas por um pigmento fotorreceptor. Um desses pigmentos, o fitocromo,

é constituído de um cromóforo tetrapirrólico de cadeia aberta associado a uma proteína, apresentando-

se sob duas formas fotorreversíveis: o fitocromo vermelho (Fv), forma naturalmente sintetizada nas

sementes, que apresenta máxima absorção na faixa do vermelho (660 nm), e o fitocromo-vermelho-

longo (FVL), com máxima absorção na faixa do vermelho-longo (730 nm). Quando o Fv absorve

radiação na faixa do vermelho ele se transforma rapidamente na forma FVL. Por sua vez, quando a

forma FVL recebe luz vermelho-longo, ela retorna rapidamente à forma FV. As interconversões entre

as formas dos fitocromos são produtos de reações luminosas de baixa energia, diferentemente de

outros fenômenos fisiológicos que requerem alta energia. A proporção entre as formas FVL/FV é

resultante das condições de luminosidade no ambiente. Quando a germinação ocorre em resposta a

valores elevados da relação FVL/Fv, as sementes são classificadas como fotoblásticas positivas. As

sementes que germinam apenas no escuro são consideradas fotoblásticas negativas, embora muitas

sementes germinem independentemente da qualidade da radiação luminosa (sementes não

fotoblásticas). Após a absorção da radiação pelo fitocromo, uma série de reações é desencadeada,

afetando o processo germinativo. As giberelinas são hormônios vegetais associados à germinação das

sementes de diferentes espécies. Em sementes fotoblásticas positivas mantidas em condições de

escuridão, o fornecimento exógeno de giberelinas pode estimular a germinação. Tal fato sugere que

a germinação nas sementes fotoblásticas positivas exige a conversão do fitocromo da forma Fv para

a forma FVL, o que ocorre em resposta à luz vermelha, antes mesmo da síntese das giberelinas,

hormônios que atuam no estímulo à produção das enzimas hidrolíticas utilizadas na quebra das

reservas. Além da germinação das sementes, diversos fenômenos fotomorfogênicos como a floração,

o crescimento de entrenós, o desenvolvimento normal das plântulas, a síntese de pigmentos, a abertura

e o fechamento de folhas, dentre outros, são controlados pelo sistema fitocromo.

ATIVIDADE

Objetivos:

Verificar a influência de diferentes faixas de radiação do espectro luminoso sobre a germinação de

sementes. Avaliar a influência do GA3 sobre a germinação de sementes fotoblásticas.

Materiais

Sementes de fumo e de alface

Caixas gerbox ou placas de Petri (10 cm de diâmetro)

Papel filtro

Caixas de papel com tampas forradas de papel celofane ou acrílico nas cores azul, verde, vermelho

e vermelho-longo

Solução de ácido giberélico (GA3) a 50 μM (Preparar 150 mL V x 300 µL = 150 mL x 50 µL V

= 25 mL de GA3 + 125 ml de água).

PROCEDIMENTOS

Identifique os recipientes (caixas gerbox ou placas de Petri), com as respectivas cores, forrando o seu

fundo com uma folha de papel filtro. Em cada um dos recipientes, adicione uma mesma quantidade

de sementes de fumo ou de alface sobre o papel filtro. Em seguida, adicione 10 mL de água destilada

ou de GA3 (50 μM) a cada recipiente. Cuidadosamente, coloque os recipientes em caixas cobertas

com filtros referentes a cada uma das seguintes cores: acrílico azul intenso ou duas folhas de papel

celofane azul intenso, que transmitem entre 390- 590 nm, na faixa do violeta-azul; acrílico verde

intenso ou quatro folhas de papel celofane verde intenso, que transmitem entre 480-630 nm, com pico

no verde; acrílico vermelho intenso ou quatro folhas de papel celofane vermelho intenso, que

transmitem entre 580-680 nm, com pico no vermelho; acrílico azul intenso + acrílico vermelho

intenso ou duas folhas de papel celofane azul intenso + duas folhas de papel celofane vermelho

intenso, que transmitem acima de 670 nm, no vermelho-longo. Embrulhe uma caixa em papel

alumínio ou coloque-a em um local escuro. Deixe uma caixa com os recipientes exposta à

luminosidade ambiente ou à luz fluorescente branca. Exponha as caixas com os filtros a um banco de

luz fluorescente ou à luminosidade de uma janela. Faça monitoramento diário da umidade do papel

que forra as placas, evitando que o mesmo seque. Após uma ou duas semanas observe a germinação

das sementes, considerando a protrusão das radículas nos diferentes tratamentos. Estime a

porcentagem de germinação em cada faixa do espectro de radiação luminosa aos quais as sementes

foram submetidas.

PERGUNTAS DA ATIVIDADE

1.Qual é o pigmento envolvido na germinação das sementes e quais são os comprimentos de onda

mais efetivos para ativação desse processo?

2. Por que as sementes das espécies estudadas (fumo, alface, etc.) praticamente não germinaram no

escuro?

3. Explique de que maneira a luz pode desencadear a germinação de sementes fotoblásticas positivas.

4. Algum fitormônio pode substituir a luz na germinação de sementes fotoblásticas positivas?

5. Se as sementes forem colocadas para germinar em total obscuridade e se essa condição for

interrompida com lampejo de luz vermelha, o que acontecerá? E se o lampejo for com luz vermelho-

distante?

6. Quais espécies de interesse comercial apresentam sementes fotoblásticas positivas?

7. Como a preparação do solo poderia aumentar a quantidade de ervas daninhas, considerando os

resultados da aula? Que alternativa à aração você sugere para evitar o aparecimento de ervas

daninhas?

8. Como se explica o estabelecimento de novas espécies em uma área formada após a abertura de

uma clareira em uma floresta? Quais espécies predominavam no sub-bosque antes da abertura da

clareira e quais espécies predominarão posteriormente a sua realização?

9. Qual é a importância ecológica e quais são os hábitos predominantes em espécies que possuem

sementes fotoblásticas positivas e negativas?

10.4. Tipos de dormência em sementes.

As sementes possibilitam a conservação e perpetuação das espécies em diferentes condições

ambientais, muitas vezes em situações nas quais a planta, após a germinação, não sobreviveria. As

sementes, em estado de latência (quiescência) ou mesmo de dormência, apresentam taxas

respiratórias reduzidas. Após a reidratação (embebição), caso a semente não apresente dormência, a

taxa respiratória aumenta, ativando o processo germinativo. Nessa etapa, as reservas de amido,

lipídios e proteínas são quebradas pela ação de uma série de enzimas que atuam de forma conjunta,

aumentando a transformação dessas substâncias em carboidratos solúveis (açúcares), substratos

imediatos do processo respiratório. Durante a embebição, há um aumento na respiração e na produção

de giberelinas nos tecidos do embrião e em outras partes das sementes. Nos cereais, as giberelinas

ativam a síntese de novo de enzimas hidrolíticas, utilizando como substratos aminoácidos

armazenados na camada de aleurona. As sementes, quando recém-colhidas, nem sempre germinam

de imediato. Algumas delas passam, logo após a dispersão, por um período de dormência, que se

caracteriza pela incapacidade de germinação, mesmo que as principais condições ambientais

ativadoras do processo estejam disponíveis. A dormência difere da quiescência, fenômeno que se

caracteriza pela não germinação das sementes em decorrência da ausência de algum sinal ambiental

necessário a sua ativação. A ocorrência de dormência em sementes tem caráter adaptativo, uma vez

que ela geralmente evita a germinação sob condições adversas para as plântulas. A dormência é

comum em espécies não domesticadas, sendo, entretanto, inadequada para sementes de espécies

cultivadas (agrícolas), que são selecionadas para germinarem rapidamente quando expostas a

condições ambientais favoráveis. A dormência primária, geneticamente controlada, é decorrente de

mecanismos que evitam a germinação em condições desfavoráveis ou que prolongam o tempo

necessário à germinação, aumentando a possibilidade de dispersão e, consequentemente, reduzindo a

competição intra-específica. Os principais tipos de dormência primária são causados pela casca

(tegumento), associados ao embrião ou devido a ambos. A escarificação é o procedimento utilizado

para eliminar a dormência tegumentar, podendo ser realizada pelo tratamento das sementes com

ácidos (escarificação química), água quente (escarificação térmica), impactos e lixas (escarificação

mecânica), etc., fazendo com que o material que compõe a estrutura do tegumento seja enfraquecido,

arranhado e/ou quebrado, facilitando a embebição e o posterior lançamento da radícula ou da parte

aérea. A dormência embrionária pode ser atribuída a causas ligadas ao embrião ou às porções

localizadas internamente ao tegumento da semente, principalmente relacionadas ao endosperma.

Algumas espécies apresentam concentrações elevadas de substâncias inibidoras de germinação, como

o HCN (espécies de Rosaceae), além de acumularem substâncias solúveis, como os fenóis e

cumarinas, e fitormônios, como o etileno (espécies dos Cerrados) e, principalmente, ácido abscísico

(ABA). O período de dormência também parece estar associado à necessidade de desidratação das

sementes ortodoxas, cuja capacidade de germinação aumenta quando a umidade é reduzida. Além

disso, a dormência também evita a germinação das sementes ainda dentro dos frutos, fato associado,

principalmente, aos baixos níveis de ácido abscísico nas sementes. Em algumas espécies, é o embrião

que efetivamente encontra-se em dormência, o que geralmente está associado ao seu desenvolvimento

incompleto (embrião mal-formado). Esse fato é comum em espécies que apresentam crescimento

rápido de frutos, como, por exemplo, em pessegueiro, cujas sementes exigem a prática da

estratificação, processo que consiste na manutenção das sementes (amêndoas) sob refrigeração, em

temperaturas baixas (7-10o C), até que o embrião complete o seu desenvolvimento, o que ocorre entre

15-30 dias. Posteriormente, as sementes são colocadas para germinar em temperaturas mais elevadas

(acima de 20o C), indicando que as baixas temperaturas da estratificação diferem das ideais para a

germinação. O fotoblastismo é a área do conhecimento botânico que estuda os efeitos da luz sobre a

germinação das sementes. As sementes que germinam somente em presença de luz são classificadas

como fotoblásticas positivas, enquanto que aquelas que germinam somente no escuro são

denominadas fotoblásticas negativas. Existem, ainda, sementes fotoblásticas neutras (não-

fotoblásticas), que germinam tanto na presença de luz quanto no escuro. Esse fenômeno é explicado

pela participação do fitocromo. Moléculas desse pigmento são encontradas em todos os órgãos da

planta. O fitocromo é uma cromoproteína que se apresenta sob duas formas fotorreversíveis. Em

plantas estioladas, o fitocromo encontra-se presente na forma que absorve a luz vermelha,

denominada Fv. Esta é a forma de fitocromo sintetizada pelas plantas no escuro. A forma Fv, que é

azul, é convertida pela luz vermelha (V) para a forma que absorve luz vermelho-longo, denominada

FVL, que, por sua vez, é azul-esverdeada. A forma FVL pode ser convertida de volta para a forma

Fv pela ação da luz vermelho-longo (VL). Esta fotorreversibilidade é a propriedade mais importante

do fitocromo. Embora as duas formas de fitocromo sejam referidas pelos seus picos máximos de

absorção no vermelho (V) ou no vermelho-longo (VL), os espectros de absorção das formas Fv e

FVL se sobrepõem significativamente na região do vermelho, sendo que a forma Fv também absorve

uma pequena quantidade de luz na região do VL. Em função disso, há um equilíbrio dinâmico entre

as duas formas de fitocromo. Desse modo, a proporção de fitocromo na forma FVL, após a saturação

da irradiação com luz V, é de apenas 85% e não de 100% como seria esperado caso os espectros não

sofressem sobreposições. De modo similar, uma pequena quantidade da luz V absorvida pela forma

FVL torna impossível a conversão de todo o FVL para a forma Fv em resposta à aplicação de um

espectro amplo de luz VL. Ao invés disso, um equilíbrio de 97% de Fv e de 3% de FVL é obtido. A

proporção entre as formas ativas e inativas após saturação com luz V ou VL é denominada estado

fotoestacionário. Algumas espécies domesticadas e um grande número de espécies selvagens

apresentam o fenômeno de fotoblastismo, o que para muitas delas está relacionado à proteção contra

a germinação em ambientes escuros ou sombreados, fatores que limitam a fotossíntese. A ação do

fitocromo é especializada, uma vez que esse pigmento consegue “detectar” não apenas a presença de

luz (intensidade), mas, principalmente, a qualidade da radiação que chega ao ambiente onde as

sementes se encontram. Tal fato explica, por exemplo, o aparecimento de espécies vegetais não

observadas previamente após a realização de preparos do solo para plantios (aragem/gradagem) e de

posteriormente aos desmatamentos, que, respectivamente, expõem sementes soterradas e altera a

qualidade espectral incidente sobre as sementes. A capacidade germinativa das sementes varia em

função do vigor, característica que expressa a capacidade e os atributos fisiológicos responsáveis pela

germinação das sementes em percentuais próximos aos obtidos logo após a dispersão. Essa

capacidade reduz com o passar do tempo, mas é influenciada pelas condições de armazenamento. A

longevidade das sementes está intimamente relacionada à manutenção do vigor. Existem relatos de

sementes germinando após mais de 150 anos em materiais mantidos em herbários, bem como casos

ainda mais espetaculares, envolvendo a germinação de sementes encontradas em catacumbas de

faraós e soterradas em regiões turfosas. Nesses diferentes ambientes, uma característica comum é a

manutenção quase constante das condições de UR e de temperatura, o que reduz a atividade

metabólica e impede a germinação.

10.5 Fisiologia da dormência em gemas e sementes.

a) Dormência de sementes

Os estudos relacionados à dormência têm sido focalizados sobre três principais questões:

•. Quais os sinais ambientais que estimulam o início da dormência e como eles são percebidos?

•. Quais mudanças metabólicas são responsáveis pela redução na atividade?

•. Quais os sinais que promovem a saída da dormência em um determinado momento?

A dormência pode se originar da rigidez ou da impermeabilidade do tegumento da semente ou da

inibição do desenvolvimento do embrião. Estes tipos de dormência podem estar associados a

adaptações às condições ambientais adversas (seca, frio, etc.). No caso da dormência do embrião

(dormência fisiológica), acreditase que os hormônios possam agir na manutenção ou extinção da

dormência. Estudos com mutantes têm sido extremamente úteis na demonstração do papel de

hormônios na dormência de sementes. Sementes de Arabidopsis, por exemplo, exibem um variado

grau de dormência, dependendo do ecotipo. Mutantes de Arabidopsis deficientes em ABA (que não

produzem o ácido abscísico) mostram-se não dormentes na maturidade.

Quando cruzamentos recíprocos entre o mutante aba (deficiente em ABA) e o tipo selvagem (não

mutante) foram feitos, a semente exibiu dormência somente quando o embrião produziu ABA. Por

outro lado, a dormência é grandemente reduzida em sementes de mutantes de Arabidopsis insensíveis

ao ABA (mutantes abi1 e abi3 que não são afetados pelo ABA), embora estas sementes contenham

maior concentração de ABA do que as do tipo selvagem durante o desenvolvimento. Similares

conclusões a cerca do papel do ABA na regulação da dormência têm sido obtidos em trabalhos com

mutantes de tomate, indicando que o fenômeno é, provavelmente, de caráter geral.

Embora o papel do ABA na iniciação e na manutenção da dormência de sementes pareça estar bem

esclarecido, outros hormônios contribuem para o efeito geral. Por exemplo, em muitas plantas, o pico

de produção de ABA na semente coincide com o declínio nos níveis de auxinas (AIA) e de giberelinas

(GA). Do ponto de vista metabólico, o ABA parece reprimir a síntese de enzimas hidrolíticas que são essenciais para a quebra das reservas da semente durante a germinação. As giberelinas têm efeito

contrário. Assim, a relação ABA/GA pode estar envolvida na dormência ou germinação de sementes,

o que tem sido confirmado em estudos com mutantes. Por exemplo, mutantes de Arabidopsis

deficientes em GA (não sintetizam ou sintetizam muito pouco GA) não poderiam germinar, a menos

que fosse feita aplicação de GA exógeno. Em outros mutantes em que a relação ABA/GA foi

restaurada, ocorria germinação.

Em Stylosanthes, a quebra da dormência fisiológica parece estar associada com etileno e citocininas.

Por exemplo, aplicação de etrel (fonte de etileno) e de benziladenina (citocinina sintética),

combinados ou separadamente, induzem a quebra da dormência em sementes escarificadas de

Stylosanthes humilis. Nesse experimento, a aplicação de etrel e de benziladenina (BA), em meio com

pH 6,0, provocou, de forma marcante, a quebra da dormência fisiológica das sementes. A

percentagem final de germinação foi superior a 80% nos tratamento com esses reguladores de

crescimento, isolados ou conjuntamente, enquanto que no controle (pH 6,0 sem reguladores) esse

valor ficou em torno 341 de 10%. Esses resultados confirmam a importância desses fitohormônios no

processo de quebra de dormência fisiológica de sementes de Stylosanthes, o que tem sido

demonstrado por outros autores. Além da influência dos hormônios clássicos (auxinas, giberelinas,

citocininas, etileno e ácido abscísico) na manutenção e extinção da dormência de sementes, um

grande número de outros compostos têm sido identificados em sementes e em frutos, muitos deles

atuando como inibidores: compostos fenólicos (ácido ferúlico, cumarina, etc.), compostos

cianogênicos (liberam cianeto), etc.

b) Dormência de gemas

O início da dormência de gemas é coincidente com a queda de folhas, decréscimo na atividade

cambial (meristema lateral) e aumento na severidade das condições ambientais (frio ou seca). Em

plantas de clima temperado, a dormência de gemas parece ser uma típica resposta de dias curtos

iniciada pelos dias curtos do outono (frio). Estas respostas, portanto, requerem um mecanismo

sensorial que detecta a mudança ambiental. Nestes casos, o fitocromo está envolvido e a folha é o

órgão que percebe o estímulo fotoperiódico. Em algumas espécies, declínio nos níveis de auxinas e

de giberelinas pode ser detectado antes da cessação do crescimento da gema e no início da fase de

dormência. Também, boa correlação entre o nível de citocininas e o crescimento de gemas laterais

tem sido verificada. De modo contrário, muitas outras observações indicam que o ABA causa a

dormência de gemas, visto que ele se acumula nas gemas dormentes e diminui após a saída da

dormência (o contrário do que se observa para citocininas, GAs e AIA). Acredita-se que, em muitos

casos, as interações entre o ABA e outros hormônios, resultem em um processo, no qual a dormência

e o crescimento da gema são regulados pelo balanço entre inibidores do crescimento da gema, como

o ABA, e substâncias promotoras do crescimento, como citocininas, giberelinas e auxinas.

FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO

a) Longevidade das sementes.

As sementes perdem a viabilidade com o tempo, entretanto a longevidade entre as espécies é bastante

variável. Em laboratório, os fatores mais importantes na proteção de sementes estocadas parecem ser:

baixas temperaturas, baixo conteúdo de água na semente e, em muitos casos, baixas concentrações

de O2 e altas concentrações de CO2. De modo geral, a umidade da semente parece ser o fator mais

importante. Por exemplo, aumentando-se o conteúdo de água da semente de 5 para 10%, reduz-se a

viabilidade muito mais do que aumentando-se a temperatura de 20 para 40oC. OBS: Deve-se salientar

que a técnica de estocar sementes a seco é artificial e, na natureza, excluindo-se circunstâncias

especiais (mecanismos de dormência), a semente embebida germina dentro de pouco tempo.

b) Água

A entrada de água na semente é controlada pela permeabilidade do tegumento, pela disponibilidade

de água e pela composição química das reservas da semente. Sob condições ótimas de suprimento de

água, a absorção de água pela semente apresenta três fases distintas. A primeira fase (fase I) da

germinação de sementes quiescentes é a absorção de água, denominada de EMBEBIÇÃO. Durante a

embebição, moléculas de água entram na semente, ocupando os espaços livres do tecido e os espaços

intermicelares dos colóides, causando aumento de volume. O potencial hídrico de sementes maduras

secas, devido às forças mátricas (rever potencial mátrico), é muito menor que o do substrato úmido e

o gradiente pode chegar a 100 MPa ou maior. A fase I, ou embebição, é, portanto, um processo físico

que ocorre em conseqüência das forças mátricas (forças coloidais). A absorção de água nessa fase

pode ocorrer tanto em sementes viáveis como em sementes mortas (não viáveis). Os tipos de

macromoléculas coloidais encontradas em sementes são geralmente hidrofílicas, possuindo grande

número de grupos iônicos, como as proteínas. Outros componentes também aumentam de volume,

como a celulose, hemicelulose e as pectinas. Já o amido, comum nos cereais contribui pouco para a

embebição, exceto em condições de alta temperatura e baixo pH (em valores que não ocorrem

normalmente na natureza). Assim, espera-se que sementes com maior conteúdo de proteínas

(exemplo, feijão) apresentem um maior aumento de volume do que sementes ricas em amido

(exemplo, o milho), após a embebição. Embora sementes dormentes (dormência do embrião) ou

sementes não viáveis possam chegar à fase II (uma etapa onde praticamente não se observa absorção

de água), somente as sementes que germinam entram na fase III, a qual coincide com o alongamento

e emergência da radícula. Nessa fase III, ocorre grande incremento na absorção de água, influenciado

pelo decréscimo no potencial osmótico, resultante da produção de substâncias osmoticamente ativas

de baixa massa molecular (como glicose, sacarose, frutose, aminoácidos, ácidos orgânicos, etc.), a

partir da hidrólise das macromoléculas (amido, proteínas, etc.). c) Gases A germinação (emergência

da radícula) e o estabelecimento da plântula são processos que requerem energia e, ao contrário da

embebição, ocorrem somente em sementes viáveis. A energia é fornecida pela respiração das reservas

estocadas, um processo que depende da presença de oxigênio. A maioria das sementes germina numa

atmosfera normal contendo 21% de O2 e 0,03% de CO2. Os resultados de alguns experimentos de

laboratório indicam que a germinação de sementes de Xanthium é estimulada pelo aumento na

concentração de O2 (isso parece estar associado à baixa taxa de difusão desse gás através dos

tegumentos da semente). Para a maioria das espécies, a diminuição da concentração de O2 pode causar

inibição da germinação (as concentrações que inibem a germinação dependem da espécie). d)

Temperatura Diferentes espécies apresentam diferentes temperaturas ótimas para germinação. Estas

diferenças podem estar associadas, em grande parte, com a própria evolução da espécie (clima da

região de origem, etc.). Essa temperatura ótima para a germinação é definida como a temperatura em

que a maior percentagem de germinação (100%) ocorre em um menor tempo. Acima ou abaixo deste

ótimo, as sementes podem atingir 100% de germinação, mas o tempo gasto será maior. Em geral,

temperaturas muito baixas ou muito altas, inibem a germinação. Por outro lado, muitas sementes

embebidas requerem um pré-tratamento com baixas temperaturas (0 a 10oC) para germinar, não

havendo relação entre esta baixa temperatura e a temperatura ótima para germinação. Este tratamento

com baixa temperatura é denominado ESTRATIFICAÇÃO. Esse tratamento de frio é comum em

climas temperados, sob condições naturais. Nesse caso, as sementes são submetidas ao frio do inverno

e germinam na primavera. e) Luz As sementes podem ser classificadas em três categorias,

dependendo de suas respostas à luz: as sementes em que a luz estimula o processo de germinação são

conhecidas como fotoblásticas positivas. Aquelas cuja germinação é inibida pela luz são fotoblásticas

negativas. Muitas outras, incluindo a maioria das espécies cultivadas, não são afetadas pela luz, ou

seja, elas germinam na luz ou no escuro. Essas categorias não são absolutas, podendo ocorrer

mudanças com o tempo ou quando as sementes entram em dormência secundária. OBS: Em geral,

sementes secas não apresentam sensibilidade à luz, sugerindo que mudanças bioquímicas podem estar

envolvidas na resposta. Em geral, as plantas cultivadas são fotoblásticas neutras. As respostas à luz

são geralmente encontradas em espécies não cultivadas, as quais possuem sementes pequenas que

podem ser facilmente sombreadas ou enterradas. Sementes, como aquelas de algumas variedades de

alface (fotoblástica positiva), podem requerer somente breve exposição à luz, medida em segundos

ou minutos, enquanto outras podem requerer algumas horas ou mesmo dias de constante ou

intermitente irradiância. Por exemplo, a supressão da germinação em sementes fotoblásticas

negativas, tal como em aveia, requer geralmente longo tempo de exposição a luz de alta fluência.

Neste caso, a luz vermelha distante e azul são mais efetivas. Em todos os casos, o pigmento

responsável parece ser o fitocromo. No caso da alface, sabe-se que a luz vermelha converte a forma

inativa da fitocromo (Fv) para a forma ativa (FVD), a qual promove a germinação. Aplicação de luz

vermelha extremo provoca inibição da germinação, pois ela converte a forma ativa (FVD) para a

forma inativa (Fv) do fitocromo (rever fotomorfogênese).

METABOLISMO DA SEMENTE DURANTE A GERMINAÇÃO

a) Respiração A germinação é um processo anfibólico, envolvendo tanto reações catabólicas como

anabólicas. A germinação envolve a reativação de organelas e macromoléculas preexistentes na

semente, formadas durante a maturação, e a quebra de reservas, gerando ATP como fonte de energia

e esqueletos de carbono para o crescimento da plântula (formação de novas proteínas, organelas, etc.).

Antes da plântula se tornar autotrófica, o desenvolvimento do eixo embrionário é completamente

dependente das reservas contidas no endosperma ou nos cotilédones, as quais precisam ser

degradadas. Nesse aspecto, a respiração nas sementes em processo de germinação constitui um caso

de particular interesse. A respiração de sementes maduras, secas, é extremamente baixa comparada

àquela de sementes germinando. Quando as sementes secas são colocadas em meio aquoso, se

observa uma imediata liberação de gases, a qual não se deve à respiração e sim à liberação de gases

presos nos espaços entre as macromoléculas coloidais. O consumo de O2 ligado à respiração segue

um padrão básico que envolve três fases, quando se avalia o embrião, ou quatro fases, quando se

avalia o tecido de reserva. → Fase I – Nesta fase se observa inicialmente um nítido aumento no

consumo de O2, o qual pode ser atribuído, em parte, à hidratação e à ativação de enzimas

mitocondriais envolvidas no ciclo de Krebs e na cadeia de transporte de elétrons (CTE). Estas

observações indicam que a fosforilação oxidativa mitocondrial é a principal fonte de ATP desde o

início da embebição (absorção de água pela semente). A respiração durante esta fase aumenta

linearmente com o aumento na hidratação dos tecidos. → Fase II – Esta fase é caracterizada por uma

estabilização na respiração com o consumo de O2 aumentando somente lentamente.

Presumivelmente, existe pouco aumento nas enzimas envolvidas na respiração ou no número de

mitocôndrias, durante esta fase. Entre as fases II e III, a germinação é completada com a emergência

da radícula. → Fase III - Nesta fase se observa um segundo aumento na taxa de respiração. No

embrião, este aumento é atribuído às novas mitocôndrias sintetizadas nas células do eixo embrionário

em crescimento. Nos tecidos de reserva, há também aumento no número de mitocôndrias,

frequentemente em associação com a degradação e mobilização de reservas. → Fase IV – Esta fase

mostra uma queda na taxa de respiração e ocorrem somente nos tecidos de reserva, coincidindo com

sua senescência pela exaustão das reservas estocadas. – Padrão de consumo de oxigênio pelo embrião

(A) e pelos tecidos de reserva (B) de sementes durante o processo de germinação (Bewley & Black,

1994) 346 b) Degradação e mobilização de reservas. Durante a germinação, os órgãos de reserva

(endosperma ou cotilédones) perdem massa rapidamente, enquanto o material proveniente da

degradação das reservas é translocado para o eixo embrionário e dividido entre as diversas partes da

nova planta (raiz e parte aérea). Estas reservas consistem, principalmente, de carboidratos, proteínas

e lipídios. Nas gramíneas o endosperma é um bloco de tecido morto, cercado por uma camada de

células vivas, a camada de aleurona, a qual sintetiza as enzimas necessárias para a degradação das

reservas. O escutelo (cotilédone modificado) também participa da degradação e transporte de reservas

para o embrião. A principal reserva nestas sementes (milho, cevada, trigo, arroz, sorgo, etc.) é o amido

(acima de 70%), com menores percentagens de proteínas (em torno de 10%) e de outros constituintes.

O amido é encontrado na forma de grânulos, os amiloplastos. Em cereais, os lipídios se acumulam no

escutelum, um tecido do embrião; Principalmente amido em certas espécies, como ervilha e feijão,

os órgãos de reserva são os cotilédones, os quais possuem entre 25 e 40% de proteínas, sendo

encontradas também altas percentagens de carboidratos, principalmente de amido. Em sementes de

oleaginosas (soja, algodão, mamona, amendoim, girassol, etc.) são encontradas elevadas

percentagens de proteínas e, principalmente de lipídios (na forma de triacilglicerol). As proteínas são

armazenadas nos corpos protéicos e os lipídios nos oleossomos. Abaixo veremos como ocorre a

degradação das principais reservas da semente e a mobilização dos produtos para o eixo embrionário

de sementes germinando.