Nutrição Mineral de Plantas, Notas de estudo de Agronomia

Baixe Nutrição Mineral de Plantas e outras Notas de estudo em PDF para Agronomia, somente na Docsity! UNIDADE IV NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS 71 NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS 1 –INTRODUÇÃO As plantas são organismos autotróficos que vivem entre dois ambientes inteiramente inorgânico, retirando CO2 da atmosfera e água e nutrientes minerais do solo. Os nutrientes minerais são adquiridos primariamente na forma de íons inorgânicos e entram na biosfera predominantemente através do sistema radicular da planta. A grande área superficial das raízes e sua grande capacidade para absorver íons inorgânicos em baixas concentrações na solução do solo, tornam a absorção mineral pela planta um processo bastante efetivo. Além disso, outros organismos, como os fungos (micorrízicos) e as bactérias fixadoras de nitrogênio, freqüentemente contribuem para a aquisição de nutrientes pelas plantas. Depois de absorvido, os íons são transportados para as diversas partes da planta, onde são assimilados e utilizados em importantes funções biológicas. O estudo de como as plantas absorvem, transportam, assimilam e utilizam os íons é conhecido como NUTRIÇÃO MINERAL. Esta área do conhecimento busca o entendimento das relações iônicas sob condições naturais de solo (salinidade, acidez, alcalinidade, presença de elementos tóxicos, como Al3+ e metais pesados, etc), porém, o seu maior interesse está ligado diretamente à agricultura e à produtividade das culturas. Alta produção agrícola depende fortemente da fertilização com elementos minerais. No entanto, as plantas cultivadas, tipicamente, utilizam menos da metade dos fertilizantes aplicados. O restante pode ser lixiviado para os lençóis subterrâneos de água, tornar-se fixado ao solo ou contribuir para a poluição do ar. Assim, torna-se de grande importância aumentar a eficiência de absorção e de utilização de nutrientes, reduzindo os custos de produção e contribuindo para evitar prejuízos ao meio ambiente. 2 – ELEMENTOS ESSENCIAIS a) Definição e Classificação Utilizando-se a definição inicial de Arnon & Stout (1939), o elemento é considerado essencial quando atende aos três critérios seguintes: • O Elemento deve estar diretamente envolvido no metabolismo da planta (como constituinte de molécula, participar de uma reação, etc.); • A planta não é capaz de completar o seu ciclo de vida na ausência do elemento; • A função do elemento é específica, ou seja, nenhum outro elemento poderá substituí-lo naquela função; Utilizando-se estes critérios, os especialistas da área de nutrição mineral consideram os elementos como essenciais para as plantas. Estes elementos minerais essenciais são usualmente classificados como macro ou micronutrientes, de acordo com a sua concentração relativa no tecido ou de acordo com a concentração requerida para o crescimento adequado da planta. Em geral, as concentrações dos macronutrientes (N, P, K, Si, Ca, Mg e S) são maiores do que as dos micronutrientes (Fe, Cu, Zn, Mn, Mo, B, Cl, Ni e Na). Vale salientar, no 74 no entanto, as raízes das plantas são colocadas em valas (canos de PVC cortados ao meio) e a solução nutritiva flui em uma fina camada ao longo da vala, alimentando as raízes. Este sistema garante um amplo suprimento de oxigênio às plantas. A solução nutritiva deve fornecer os elementos essenciais em concentrações que permitam o rápido crescimento da planta, devendo-se ter o cuidado para que os mesmos não atinjam níveis tóxicos. Soluções com altos níveis de nutrientes permitem que a planta cresça por maior período de tempo sem a necessidade de troca da solução. A solução de Hoagland (original), por exemplo, tem uma concentração de fósforo que pode ser até 1.300 vezes maior do que a concentração observada na solução do solo. Estas soluções concentradas têm sido preteridas na maioria das pesquisas modernas, as quais utilizam soluções bem diluídas e que são trocadas freqüentemente para diminuir as flutuações nas concentrações de nutriente (Tabela 2). O acompanhamento da concentração de K+ tem sido utilizado para indicar o momento em que a solução deve ser trocada. Uma queda de 40 a 50% na concentração de K+ pode indicar a necessidade de troca. Tabela 2 – Concentrações de nutrientes em duas soluções nutritivas e na solução de um solo Elemento Solução de Hoagland (Epstein, 1972) Solução de Clark (Clark, 1975) Solução de um solo (Marschner, 1995) Macronutriente (mM) Nitrogênio 16,0 8,0 3,200 Fósforo 2,0 0,14 0,0015 Enxofre 1,0 0,6 0,590 Potássio 6,0 1,87 0,510 Cálcio 4,0 2,6 1,700 Magnésio 1,0 0,6 0,490 Micronutrientes (µM) Ferro 35,0 45 - Cobre 0,5 0,5 - Zinco 2,0 2,0 0,480 Manganês 2,0 7,0 0,002 Molibdênio 0,5 0,6 - Boro 25 19 - Cloro 50,0 950 - Níquel 0,5 - - Um outro ponto importante no cultivo hidropônico é a forma em que o nitrogênio (N) deve ser aplicado. A utilização de uma única forma de N, nítrica ou amoniacal, não é recomendada, pois pode causar um rápido aumento ou queda no pH, respectivamente. Isto ocorre por que a absorção de NO3 - provoca o influxo de H+ (entrada de H+ na célula e aumento do pH do meio) e a absorção de NH4 + provoca o efluxo de H+ (saída de H+ da célula e queda do pH do meio). Uma relação 7/1 (nitrato/amônio) é utilizada em muitos estudos. Um outro problema do cultivo hidropônico é a manutenção da disponibilidade de ferro (Fe). Quando suprido na forma de sal [FeSO4 ou Fe(NO3)2], o Fe pode ser precipitado como hidróxido ou fosfato de ferro. O uso de agentes quelantes, como ácido cítrico, ácido tartárico e, mais recentemente, EDTA (ácido etilenodiaminotetraacético) ou DTPA (ácido dietilenotriaminopentaacético) tem sido a saída encontrada pelos estudiosos. Estes compostos 75 formam complexos solúveis com cátions, como Fe2+ e Ca2+. O Fe2+ parece ser liberado do complexo na superfície da raiz, onde ele é absorvido. c) Relação Sintoma x Função O relacionamento entre o crescimento ou a produtividade das plantas e a concentração dos nutrientes no tecido evidencia a ocorrência de três zonas distintas (Figura 2). • Zona de deficiência – ocorre quando o teor do nutriente no tecido é baixo e o crescimento é reduzido. Nesta zona, adição de fertilizante produz incrementos na produtividade. • Zona Adequada – Nesta região, aumento no teor do nutriente não implica em aumento do crescimento ou da produtividade. • Zona de toxicidade – o nutriente acumulou em excesso, produzindo toxicidade. Figura 2 – Relacionamento entre o crescimento (ou produtividade) e o teor de nutrientes no tecido vegetal (Taiz & Zeiger, 1998) OBS: A concentração crítica para um determinado nutriente corresponde à concentração abaixo da qual o crescimento (ou produtividade) é reduzido. O suprimento inadequado de um elemento essencial (excesso ou deficiência) resulta em uma desordem nutricional manifestada por características definidas como SINTOMAS. Os sintomas de deficiência de nutrientes em uma planta correspondem à expressão da desordem metabólica resultante do suprimento insuficiente de um elemento essencial. Estas desordens estão relacionadas com os papéis executados pelo elemento no funcionamento normal da planta. Por exemplo, a deficiência de nitrogênio produz inicialmente clorose nas folhas que se deve ao fato do N fazer parte da molécula de clorofila e de todas as proteínas (inclusive as enzimas). Em cultivo hidropônico, a ausência de um elemento essencial pode ser prontamente correlacionada com um dado sintoma. A diagnose de plantas crescendo no solo pode ser mais 0 20 40 60 80 100 120 0 10 20 30 40 50 60Concentração do Nutriente no Tecido (mmol kg-1 Matéria Seca) C re sc im en to o u P ro du ti vi da de (% d o M áx im o) Zona de Deficiência Zona Adequada Zona de Toxicidade Concentração Crítica 76 complexa, por que mais de um elemento pode estar em níveis inadequados ao mesmo tempo, o excesso de um elemento pode induzir deficiência de outros (competição) e alguns vírus de plantas produzem sintomas similares àqueles de deficiências nutricionais. Além disso, é importante destacar que o sintoma é a expressão final da desordem metabólica, ou seja, antes do aparecimento do sintoma o metabolismo vegetal e o crescimento da planta já podem estar comprometidos. Para contornar estes problemas deve-se proceder, periodicamente, a análise de solo e, em muitos casos, a análise da planta (análise foliar). Quando se faz a relação entre os sintomas de deficiência com o papel do elemento essencial, é importante considerar a extensão na qual um elemento pode ser reciclado das folhas velhas para as novas (Tabela 3). Alguns elementos como N (na forma orgânica), P, Mg e K podem mover-se facilmente de uma folha para outra. Outros como Ca, B e Fe são relativamente imóveis na maioria das plantas. Assim, deficiência de um elemento móvel poderá tornar-se evidente primeiramente nas folhas velhas. Enquanto que a deficiência de elementos imóveis aparece primeira nas folhas novas da planta. Tabela 3 – Elementos minerais classificados com base na sua mobilidade dentro da planta (Taiz & Zeiger, 1998) Elementos Móveis Elementos Imóveis Nitrogênio Cálcio Potássio Enxofre Magnésio Ferro Fósforo Boro Cloro Cobre Zinco Molibdênio Sódio d) Elementos Essenciais: principais funções e sintomas de deficiência • Nitrogênio - É o elemento essencial requerido em maior quantidade pelas plantas. É constituinte de muitos compostos da planta, incluindo todas as proteínas (formadas de aminoácidos) e ácidos nucléicos. Assim, deficiência de N inibe rapidamente o crescimento da planta. Se a deficiência persiste, a maioria das plantas mostra clorose, especialmente nas folhas velhas. A intensificação da deficiência pode levar à queda da folha. Pode ocorrer, também, acúmulo de carboidratos ou os carboidratos não utilizados no metabolismo do N podem ser usados na síntese de antocianina, levando ao acúmulo deste pigmento nos vacúolos (produz coloração púrpura). • Fósforo – O fósforo (P), como fosfato (HPO4 2-) é um componente integral de importantes compostos da planta, incluindo açúcares-fosfato (glicose 6P, Frutose 6P, etc), fosfolipídios de membranas, nucleotídeos usados como fonte de energia (ATP) e nos ácidos nucléicos. Um sintoma característico de deficiência de P é a coloração verde-escura de folhas mais velhas (primeiramente) associadas ao aparecimento da cor púrpura, devido ao acúmulo de antocianina. • Enxofre – O enxofre (S) é constituinte de compostos de planta (acetil-CoA, Glutationa, etc) e, como o N, é constituinte das proteínas (o S é encontrado nos 79 • Silício – Apenas membros da família Equisitaceae, chamados juncos de polimento porque suas cinzas, ricas em sílica granulosa, eram usadas para polir panelas, requerem silício para completar seu ciclo de vida. No entanto, muitas outras espécies acumulam silício em seus tecidos e apresentam melhoria no seu crescimento e na fertilidade, quando supridas com quantidades adequadas de silício (Epstein, 1999). Plantas deficientes em silício são mais suscetíveis ao acamamento e à infecção fúngica. O silício é depositado principalmente no retículo endoplasmático, paredes celulares e espaços intercelulares como sílica amorfa hidratada (SiO2.nH2O). Ele também forma complexos com polifenóis e serve como alternativa à lignina no reforço de paredes celulares. Além disso, o silício pode aliviar a toxicidade de muitos metais pesados. • Sódio – A maioria das espécies que utiliza as rotas C4 e CAM de fixação de carbono requerem íons sódio para a regeneração do fosfoenolpiruvato. Sob deficiência de sódio, essas plantas exibem clorose e necrose ou deixam de florescer. Muitas espécies C3 se beneficiam de uma exposição a baixos níveis de sódio. O sódio estimula o crescimento por meio de uma maior expansão celular, além de poder parcialmente substituir o potássio como um soluto osmoticamente ativo. 3 – TRANSPORTE DE ÍONS ATRAVÉS DA MEMBRANA a) Transporte Passivo e Ativo De acordo com a Lei de Fick, o movimento de moléculas por difusão poderá ocorrer a favor de um gradiente de concentração (gradiente químico), até que o equilíbrio seja atingido. Este tipo de movimento é chamado de transporte passivo. No entanto, a difusão através de membranas biológicas é bastante restrita, devido à baixa permeabilidade da bicamada lipídica para moléculas polares, com exceção da água. Na realidade, poucas substâncias de importância biológica apresentam natureza apolar e somente três (O2, CO2 e NH3) parecem atravessar a membrana por difusão simples através da bicamada lipídica. Portanto, as substâncias polares e iônicas devem atravessar as membranas biológicas através de outros mecanismos e por outras regiões e não por simples difusão. Além da concentração, o transporte de solutos através de membranas biológicas pode ser impulsionado por outras forças: pressão hidrostática, gravidade (desprezível) e campos elétricos. Estas diversas fontes de energia potencial definem o potencial químico de um determinado soluto. A equação abaixo leva em consideração as principais forças associadas com o transporte através de membranas: µj = µ*j + RTlnCj + zjFE em que: µj = potencial químico µ*j = potencial químico padrão RTlnCj = componente químico (concentração) R = constante universal dos gases (0,00831 kg MPa mol-1 oK-1); e T = temperatura absoluta (oC + 273); Cj = concentração molal (moles por kg de água);. zjFE = componente elétrico zj = valência; F = constante de Faraday; E = potencial elétrico 80 O potencial químico soma todas as forças que podem agir sobre a molécula durante o seu transporte. A soma dos termos da equação do potencial químico depende do soluto em estudo. O termo VjP tem pouca importância no movimento de solutos através de membranas. No caso de solutos polares sem carga, como a sacarose, o potencial químico é aproximado ao do termo referente a concentração. Neste caso teremos: • Potencial químico dentro da célula µj i = µ*j + RTlnCj i • Potencial químico fora da célula µj o = µ*j + RTlnCj o • Calculando-se a diferença, temos ∆µj = µj i - µj o = RT (lnCj i - lnCj o) = RT ln Cj i/Cj o Se a concentração externa (Cj o) for maior que a concentração interna (Cj i) este termo será negativo, indicando que a sacarose poderá mover-se passivamente para dentro da célula. Quando os solutos possuem carga elétrica (íons), o componente elétrico do potencial químico deve ser considerado. Para o K+ podemos escrever: ∆µj = µj i - µj o = RT ln [Ki]/[Ko] + zF (Ei – Eo) em que z=1 (valência) Esta equação mostra que íons, como o K+, difundem em resposta a seu gradiente de concentração [Ki]/[Ko] e a diferença de potencial elétrico (Ei – Eo) entre os dois compartimentos. Nestes casos, nos referimos ao POTENCIAL ELETROQUÍMICO. Em relação ao transporte através de membranas biológicas, podemos definir (Figura 3): TRANSPORTE PASSIVO – É o transporte que ocorre a favor do gradiente de potencial químico ou eletroquímico. TRANSPORTE ATIVO – É o transporte que ocorre contra o gradiente de potencial químico ou eletroquímico. Figura 3 – Relacionamento entre o potencial químico e o tipo de transporte de moléculas através da membrana (Taiz & Zeiger, 2000). 81 b) Mecanismos de Transporte de Íons Através da Membrana Celular Membranas artificiais têm sido bastante usadas para estudar a permeabilidade de membranas fosfolipídicas. Devido à sua natureza apolar, as bicamadas lipídicas são altamente impermeáveis para íons (Figura 4) e moléculas polares. Estas bicamadas são altamente permeáveis ao O2 e têm elevadas permeabilidades à água, ao CO2 e ao glicerol. A elevada permeabilidade à água deve-se à interação desta molécula com os grupos polares dos fosfolipídios e ao seu pequeno tamanho. Em geral, quando as moléculas aumentam em tamanho e polaridade, suas permeabilidades nas membranas fosfolipídicas decrescem. Quando as permeabilidades de bicamadas artificiais para íons e moléculas são comparadas com as de membranas biológicas (Figura 4), observa-se que para moléculas não polares e pequenas moléculas polares, ambas possuem permeabilidades similares (para a água a permeabilidade é ligeiramente maior na membrana biológica). Por outro lado, para íons e, também, para moléculas polares de maior tamanho, como açúcares, as membranas biológicas são muito mais permeáveis. Estas diferenças devem-se à presença de proteínas integrais nas membranas biológicas, as quais facilitam a passagem de íons e moléculas polares. Figura 4 – Permeabilidade, em cm s-1, para substâncias difundindo através de bicamadas lipídicas artificiais e de membranas biológicas (Taiz & Zeiger, 1998) Estas proteínas transportadoras podem ser agrupadas em três categorias. CANAIS, CARREADORES E BOMBAS (Figura 5). Estes transportadores apresentam seletividade e transportam um soluto ou um grupo de solutos relacionados. values P 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 Cl- K+ Na+ Glicerol H2O Artificial membrane Biological membrane Na+ Cl- K+ Glycerol H2O Low permeability High permeability 84 Quando os H+ sofrem extrusão do citosol (colocados para o meio externo ou para o vacúolo) pelas H+-ATPases, um potencial de membrana (componente elétrico) e um gradiente de pH (componente químico) são criados nas membranas plasmática e vacuolar, às expensas da hidrólise de ATP. O gradiente de potencial eletroquímico, conhecido como força motiva de prótons, ∆p, representa a energia livre estocada na forma de gradiente de H+ que pode ser utilizada para o transporte de outros íons e moléculas. Figura 7 – Os dois tipos de transporte ativo secundário acoplado ao gradiente primário de prótons (Taiz & Zeiger, 1998). A força motiva de prótons gerada pela bomba eletrogênica é usada para impulsionar o transporte de muitas outras substâncias contra seu gradiente de potencial eletroquímico, no transporte ativo secundário. O carreador é uma proteína transmembranar com um sítio de ligação no lado externo da membrana que permite a ligação do H+. O próton ligado ao carreador modifica a conformação da proteína, que expõe um outro sítio, o de ligação, ao qual se liga o soluto a ser transportado. Com as duas substâncias ligadas, a proteína muda de conformação e expõe os sítios no lado oposto da membrana, onde as substâncias são liberadas. Este tipo de co-transporte é conhecido como simporte, pois as duas substâncias movem-se na mesma direção. Quando o movimento de um H+ impulsiona o transporte ativo de um soluto na direção oposta, o co-transporte é chamado de antiporte (Figura 7). Nos dois tipos de co-transporte, o soluto que está sendo transportado simultaneamente com o H+, se move contra o seu gradiente de potencial eletroquímico, ficando claro que se trata de transporte ativo. Em plantas e fungos, açúcares e aminoácidos são absorvidos via simporte com prótons (exemplo, H+- Sacarose). O Na+ é transportado para fora da célula no antiporte Na+-H+ e os ânions Cl-, NO3 - e H2PO4 - são absorvidos via simporte. O K+ em baixas concentrações pode ser tomado ativamente via simporte, porém, em altas concentrações, pode ser absorvido passivamente via canais. O Ca2+ é absorvido passivamente via canais, porém, sua concentração no citosol é mantida em valores muito baixos (0,15-0,50 µM) devido a atividade de uma Ca2+- ATPase na membrana plasmática, que transporta o Ca2+ para o espaço extracelular, e de um antiporte Ca2+- H+ no tonoplasto, que transporta o Ca2+ para dentro do 85 vacúolo. Além disso, uma Ca2+- ATPase na membrana do retículo endoplasmático pode promover o armazenamento de Ca2+ no interior dessa organela. c) Análise Cinética do Transporte Como o transporte celular via carreador ou bomba envolve a ligação e a dissociação de moléculas nos sítios de ligação da proteína de transporte, ele tem sido estudado, também, pelo uso da cinética enzimática (Figura 8). Figura 8 – Influência da concentração de um íon no meio externo sobre as taxas de difusão simples e de absorção via carregador (Salisbury & Ross, 1991). Na difusão simples, a taxa de transporte para dentro da célula é proporcional à concentração externa da molécula transportada (Figura 8). Neste caso, o transporte é completamente passivo, porém, muito lento. Por outro lado, o transporte mediado por carreador tende para uma taxa máxima (Vmax), que é alcançada quando todos os sítios de ligação do substrato estão ocupados. A concentração do carreador, não a do soluto, tornam a taxa limitante. A constante Km, concentração do soluto que produz Vmax/2, tende a refletir as propriedades do sítio de ligação, em particular, a especificidade. Assim, quanto menor o Km, maior a especificidade (maior a preferência pelo soluto e maior seletividade). Estudos da cinética de absorção têm mostrado que, em alguns casos, a resposta parece ser alterada quando se varia amplamente a concentração do soluto. A absorção de sacarose, por exemplo, apresenta saturação em baixa concentração (0 a 10 mM), porém, acima desta concentração a absorção torna-se linear e não saturável. A interpretação é que sacarose é absorvida ativamente em baixas concentrações, via um simporte sacarose – H+. Em maiores concentrações, sacarose entra a favor de seu gradiente de concentração e a sua absorção não é sensível a inibidores metabólicos. Essa última fase pode representar a absorção via um carreador de muito baixa afinidade. Para o K+, o transporte em baixa concentração é mediado por um simporte K+- H+. O transporte de baixa afinidade (absorve K+ em altas concentrações) não parece ser saturável como se acreditava inicialmente. Este transporte pode ser mediado por canal. 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 20 40 60 80 100 Concentração do Íon T ax a de A bs or çã o do Í on Absorção Difusão 86 4 – ABSORÇÃO DE ÍONS PELAS RAÍZES a) Seletividade da Absorção A absorção de água e de íons minerais ocorre, predominantemente, através do sistema radicular, o qual está inserido em um meio heterogêneo e cambiante (notadamente nos seus aspectos químicos), o solo. Isto implica que a raiz além de se desenvolver dentro do solo deve ter mecanismos que permitam selecionar os nutrientes que a planta necessita para o seu crescimento. A membrana celular representa a barreira, por onde a planta pode controlar a entrada e saída de diversos solutos. Em geral, o transporte é altamente seletivo, ou seja, a membrana tem preferência por alguns íons e esta preferência é determinada pelas proteínas de transporte na membrana (Figura 5). Nota-se na tabela 4, por exemplo, que a membrana celular de raízes de milho permite um acúmulo de K+ cerca de mil vezes maior do que o de Na+ e de NO3 - cerca de treze vezes superior que o de SO4 2-. As baixas concentrações de Na+ em células de plantas (diferente das células animais) resulta da reduzida absorção e também da atividade do antiporte Na+-H+, que transporta o Na+ para o meio externo. Tabela 4 – A seletividade na absorção de íons por raízes de milho (Hopkins, 2000) Íon Concentração Interna (Ci) (mM) Concentração Externa (Ce) (mM) Ci / Ce K+ 160 0,14 1142 Na+ 0,6 0,51 1,18 NO3 - 38 0,13 292 SO4 2- 14 0,61 23 b) O Solo como Fornecedor de Nutrientes O solo é um substrato complexo em termos físicos, químicos e biológicos. É composto das fases sólida, líquida e gasosa, as quais interagem com os elementos minerais. As partículas inorgânicas da fase sólida providenciam o reservatório de nutrientes, tais como K+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, etc. Também associadas à fase sólida do solo estão as partículas orgânicas (oriundas da decomposição de restos orgânicos), as quais contêm elementos essenciais, como N, P, S, dentre outros. A fase líquida do solo constitui a solução do solo, a qual contém íons dissolvidos e serve como meio para o movimento de íons para a superfície das raízes. Os GASES, tais como O2, CO2 e N2, estão dissolvidos na solução do solo, porém, sua absorção pelas raízes ocorre predominantemente nas bolhas de ar entre as partículas do solo. As partículas coloidais (micelas) do solo, orgânicas (pectinas com COO- e hemiceluloses com OH-) e inorgânicas (caolinita, smectita e ilita), têm cargas negativas na sua superfície. Os cátions como Ca2+, Mg2+, K+, NH4 +, dentre outros, ficam adsorvidos às cargas negativas das partículas do solo (Figura 9). Nesta situação, eles não são facilmente perdidos por lixiviação e representam uma reserva de nutrientes para a planta. Estes íons podem ser substituídos no complexo de troca, um processo conhecido como troca de cátions. A capacidade de troca de cátions (CTC) é altamente dependente do tipo de solo. Solos com partículas menores (argila), têm uma maior superfície específica (relação área superficial/volume). Estes solos, e também os solos ricos em matéria orgânica, possuem 89 B A Em adição, as raízes de mais de 80% de todas as plantas estudadas, incluindo praticamente todas as espécies de importância econômica, formam associações conhecidas como micorrizas (fungo-planta). Uma micorriza é uma associação simbiótica entre um fungo não patogênico e as células de raízes jovens, particularmente as células epidérmicas e corticais (Figura 11). O fungo recebe nutrientes orgânicos (carboidratos) da planta e, em contrapartida, melhora a capacidade das raízes para absorver água e nutrientes minerais do solo. As hifas de alguns fungos formam uma manta na superfície da raiz e penetram entre as células do córtex (micorriza ectotrófica). As hifas de outros fungos se desenvolvem nos espaços intercelulares do córtex e penetram em algumas células individuais, formando vesículas (micorriza vesicular arbuscular). Nos dois tipos de associação, as hifas do fungo crescem também para o meio externo (solo), aumentando grandemente a capacidade para absorver alguns nutrientes encontrados em baixas concentrações na solução do solo, como fosfato e alguns micronutrientes (Zn, Cu) Figura 11 – Associação de fungos ectotróficas (A) e vesicular-arbuscular com raízes de plantas (Taiz & Zeiger, 1998) d) Absorção pelas Raízes: uma visão transversal No solo, os nutrientes podem se mover para as superfícies radiculares dissolvidos no fluxo em massa de água ou por difusão. No fluxo em massa, os nutrientes são carreados pela água que está se movendo do solo para a raiz. Como vimos na unidade III (Relações Hídricas), o fluxo em massa ocorre por diferença de pressão, a qual é determinada, primariamente, pela taxa de transpiração. Assim, a quantidade de nutriente suprida por fluxo em massa depende da transpiração e da concentração do nutriente na solução do solo. Quando ambas são altas, o fluxo em massa passa a ter importante papel na aquisição de nutrientes. Em geral, nutrientes como Ca2+ e NO3 - são transportados para a superfície das raízes por fluxo em massa. Na difusão, nutrientes minerais movem-se de uma região de maior para outra de menor concentração. A absorção de nutrientes pela raiz diminui a concentração dos íons nesta região e favorece a difusão em direção à superfície radicular. Quando a difusão é lenta, cria-se uma zona de esgotamento do nutriente próximo à superfície da raiz. Normalmente, a difusão é importante para nutrientes encontrados em baixas concentrações na solução do solo, como é o caso do fósforo (HPO4 2-). 90 Ao chegar na superfície da raiz o íon pode seguir diferentes caminhos. Em termos de transporte de pequenas moléculas, a parede celular é uma treliça aberta de polissacarídeos através do qual os elementos minerais se difundem livremente. O contínuo de paredes celulares e espaços intercelulares é conhecido como apoplasto. Similarmente, os citoplasmas de células vizinhas, conectadas através dos plasmodesmas, formam um contínuo, coletivamente conhecido como simplasto, por onde os íons e moléculas podem também se mover. O apoplasto forma um contínuo que engloba as células da epiderme e do córtex. Entre o córtex e o cilindro central existe uma camada de células especializadas, a endoderme. Nessa camada de células se formam as estrias de Caspary (deposição de uma substância hidrofóbica, a suberina, nas paredes radiais das células da endoderme), que bloqueiam efetivamente a entrada de água e de íons minerais no cilindro central, via apoplasto. Assim, podemos resumir (Figura 12): • Na raiz, um íon pode entrar via simplasto imediatamente na membrana plasmática das células epidérmicas (inclusive nos pêlos radiculares) ou ele pode se difundir entre as células da epiderme e córtex, via apoplasto. • Do apoplasto do córtex, um íon pode difundir-se radialmente para a endoderme ou entrar via membrana da célula cortical, no simplasto. • Em todos os casos, o íon deve entrar no simplasto, antes que ele chegue ao cilindro central, devido a presença das estrias de Caspary nas células da endoderme. OBS: Alguns livros se referem ao espaço livre aparente. Este pode ser definido como o volume radicular, constituído pelas paredes celulares, espaços intercelulares e superfícies externas à plasmalema, limitado pelas Estrias de Caspary presentes na endoderme. O íon no espaço livre aparente ainda não está absorvido pela planta e pode se difundir facilmente para o meio externo. Após o íon ter entrado no cilindro central através do simplasto, ele continua a se difundir de célula para célula. Finalmente, o íon retorna para o apoplasto (do cilindro central) e difunde-se para dentro do xilema. Novamente, as estrias de Caspary evitam que o íon retorne para o apoplasto do córtex (espaço livre aparente). Assim, a planta pode manter uma maior concentração iônica no xilema do que no meio em que a raiz está crescendo (solução do solo). Figura 12 – Diagrama mostrando o movimento radial de íons através da raiz (Hopkins, 2000) Os nutrientes minerais, uma vez no xilema, são carreados para a parte aérea pelo fluxo transpiratório. Algumas vezes, a ascensão da seiva xilemática é promovida pela pressão radicular, particularmente em algumas espécies, quando os solos estão úmidos e a umidade relativa do ar é alta, tal como ocorre durante as primeiras horas do dia (transpiração praticamente ausente). 91 Na parte aérea, alguns nutrientes minerais podem ser redistribuídos pelo floema, particularmente, os que são móveis. 5 – AS PLANTAS E O NITROGÊNIO a) O ciclo do Nitrogênio O conteúdo total de nitrogênio é geralmente distribuído em três principais partes: atmosfera, solo (incluindo os lençóis subterrâneos de água) e o nitrogênio contido na biomassa. O padrão complexo de troca de N entre os três ambientes é conhecido como ciclo do nitrogênio (Figura 13). Em torno de 270 milhões de toneladas de N2 da atmosfera são transferidos para o solo por ano. Figura 13 – O ciclo do nitrogênio, ilustrando o relacionamento entre o pool de nitrogênio: atmosfera, solo e biomassa (Hopkins, 2000). O pool de nitrogênio encontrado no solo é central para a idéia do ciclo do nitrogênio. O nitrogênio do solo entra na biomassa principalmente na forma de NO3 -, absorvido pelas plantas e microorganismos. Uma vez absorvido, o nitrato é convertido para NH4 +, e este último é assimilado em aminoácidos e outros compostos nitrogenados, os quais constroem as proteínas e outras macromoléculas. O nitrogênio “move-se” na cadeia alimentar quando os animais se alimentam das plantas. O nitrogênio retorna para o solo através dos resíduos animais ou após a morte e subsequente decomposição de todos os organismos. No processo de decomposição, o nitrogênio orgânico é convertido para NH3 por uma variedade de microorganismos. Este processo é conhecido como amonificação. Parte da amônia pode retornar para a atmosfera por volatilização (100 milhões de toneladas por ano), porém a maioria é convertida para nitrato pelas bactérias do solo. A primeira etapa na formação de nitrato é a oxidação de NH3 para NO2 - pelas bactérias do gênero Nitrosomonas Atmospheric N2 Biological N2 fixation Industrial N2 fixation N0-2 Denitrification NH3 Electrical N2 fixation N0-3 Decaying biomass Animal biomass Plant biomass Soil N Pool (Ammonification) (Uptake) 94 As folhas e as raízes contêm diferentes formas da enzima, porém, ambas transferem elétrons da ferredoxina para o nitrito. Nas folhas, a ferredoxina reduzida tem origem no transporte de elétrons fotossintético nos cloroplastos e nos tecidos não verdes, a partir do NADPH (gerado na via da Pentose – Fosfato). A Redutase do Nitrito consiste de um único polipeptídio com massa molecular de 63 kDa e contém dois grupos prostéticos: um centro Fe-S e um grupo Heme. Os elétrons são transferidos na seqüência mostrada no esquema abaixo (Figura 15) Figura 15 – Modelo ilustrando o fluxo de elétrons fotossintético, via ferredoxina, para a redução do nitrito para amônio (Taiz & Zeiger, 1998) • Assimilação de Amônio As células de plantas evitam a toxicidade de NH4 +, inserindo o amônio absorvido e gerado pela redução de nitrato ou pela fotorrespiração, em aminoácidos. Inicialmente, a enzima sintetase da glutamina (GS) combina NH4 + com o glutamato, na reação: Glutamato + NH4 + + ATP → Glutamina + ADP + Pi A reação envolve um cátion divalente (Mg2+, Mn2+ ou Co2+) como cofator. A GS tem massa molecular de 350 kDa e é composta de oito sub-unidades aproximadamente idênticas. As plantas possuem duas classes de GS, uma no citosol e outra nos plastídios. As formas citosólicas são expressas em sementes germinando ou feixes vasculares de raízes e de parte aérea e produzem glutamina como forma de transporte de nitrogênio. A GS no plastídio da raiz gera amidas para consumo local e a GS do cloroplasto assimila o NH4 + liberado na fotorrespiração. Elevados níveis de glutamina nos plastídios estimula a atividade da sintase do glutamato, enzima que é conhecida como GOGAT (glutamina: 2-oxoglutarato amino transferase). A GOGAT transfere o grupo amida da glutamina para o 2-cetoglutarato, produzindo duas moléculas de glutamato. Glutamina + α - Cetoglutarato + NADH + H+ → 2 Glutamato + NAD+ (Fedred) (Fedox) 95 As plantas contêm duas GOGAT, uma recebe elétrons do NADH e a outra da ferredoxina reduzida. A enzima que usa NADH está localizada nos plastídios de tecidos não fotossintéticos, como raízes e feixes vasculares de folhas em desenvolvimento. A GOGAT dependente de ferredoxina é encontrada nas folhas e participa do metabolismo do NH4 + produzido na fotorrespiração. As raízes, particularmente aquelas supridas com NO3 -, possuem, também, uma GOGAT dependente de ferredoxina, a qual participa da incorporação da glutamina gerada durante a assimilação de nitrato. Alternativamente, o NH4 + poderia ser incorporado pela atividade da Desidrogenase do Glutamato (GDH), que catalisa a seguinte reação: α – cetoglutarato + NH4 + + NAD(P)H + H+ → Glutamato + H2O + NAD(P) + As enzimas GDH – NADH e GDH – NADPH são encontradas nas mitocôndrias e nos cloroplastos, respectivamente. A enzima GDH não parece substituir a passagem GS-GOGAT, pois um inibidor da GS, o composto metionina sulfoximina, bloqueia toda a assimilação de amônio em glutamato e glutamina. Assim, a GDH pode ser mais importante na desaminação do glutamato, ou seja, a reação no sentido inverso. Uma vez assimilado em glutamato e glutamina, o nitrogênio é incorporado em outros aminoácidos, nas reações de transaminação catalisadas pelas aminotransferases. Exemplo: aminotransferase do aspartato (AAT) Glutamato + Oxaloacetato → Aspartato + α – cetoglutarato As reações de transaminação são encontradas no citosol, cloroplastos, mitocôndrias, glioxissomos e peroxissomos. As aminotransferases dos cloroplastos têm significante papel na biossíntese de vários aminoácidos (glutamato, aspartato, alanina, serina e glicina). Uma outra importante enzima é a sintetase da asparagina (AS), a qual catalisa a transferência de um grupo NH2 da glutamina para o aspartato: Glutamina + Aspartato + ATP → Asparagina + Glutamato + AMP + Pi Sob condições de alta disponibilidade de energia (luz e níveis de carboidratos) ocorre aumento da atividade da via GS - GOGAT e inibição da atividade da AS. Isso favorece a assimilação de N nos aminoácidos glutamina e glutamato, compostos ricos em carbono (1N/5C no glutamato e 2N/5C na glutamina) que participam da síntese de novos materiais da planta. Contrariamente, quando a disponibilidade de energia é baixa, ocorre a inibição da via GS – GOGAT e ativação da AS. Nestas condições o N é assimilado preferencialmente em asparagina, um composto relativamente rico em nitrogênio (2N/4C) e suficientemente estável para o transporte à longa distância ou para armazenamento por longos períodos. Veja as reações de assimilação de amônio na figura 16: 96 Figura 16 - Estruturas dos compostos e reações envolvidas na assimilação do amônio (Taiz & Zeiger, 1998) 99 60% da energia suprida para a nitrogenase pode ser perdida como H2, diminuindo a eficiência da fixação biológica. Alguns rizóbios, no entanto, contêm uma HIDROGENASE, enzima que pode oxidar o H2 para 2H +, regenerando os prótons e elétrons e aumentando a eficiência da fixação. Um ponto importante a ser considerado é que o oxigênio atua na inativação da enzima nitrogenase, agindo, principalmente, sobre a Fe-Proteína. Assim, o processo de fixação de N2 deve ocorrer sob condições anaeróbicas. Na simbiose leguminosa–rizóbio, como já comentamos, as reações ocorrem no interior dos nódulos. O nódulo se desenvolve, parte como um sistema vascular que permite a troca do N2 fixado pelo microorganismo pelos nutrientes fornecidos pela planta e parte como uma camada de células que reduz o influxo de O2 para o local das reações de fixação (interior do nódulo). Além disso, os nódulos são ricos em uma proteína conhecida como leghemoglobina, a qual contém um grupo Heme que se liga ao oxigênio. A presença dessa proteína é indicada pela cor rósea no interior dos nódulos (a cor rósea pode ser um indicativo de que o nódulo está ativo). Esta leghemoglobina funciona como um transportador de O2 no nódulo necessário à respiração, sem afetar a atividade da nitrogenase. O processo de fixação, ou seja, a reação catalisada pela nitrogenase, ocorre dentro de uma organela endossimbiótica conhecida como bacteróide (bactéria “madura” capaz de fixar o N2). Como já comentamos anteriormente, estes bacteróides são encontrados em grupos, os quais são separados de outros grupos de bacteróides e do citosol da célula hospedeira pela membrana peribacteroidal. O NH3 gerado dentro do bacteróide, a partir do N2, é rapidamente incorporado no glutamato, no citosol da célula hospedeira, por ação da GS, produzindo glutamina. Esta glutamina pode ser transportada para a parte aérea, via xilema, ou pode ser convertida em outros compostos orgânicos. Com base na composição da seiva do xilema, as plantas podem ser divididas em exportadoras de amidas e exportadoras de ureídeos. As leguminosas de clima temperado (ervilha, vicia, etc.) tendem a exportar amidas (glutamina e asparagina) enquanto as leguminosas tropicais (soja, feijão-de-corda, amendoim) exportam o nitrogênio na forma de ureídeos (Figura 19) Figura 19 – Estrutura dos principais ureídeos encontrados em plantas que fixam N2. Os principais ureídeos são alantoina, ácido alantóico e citrulina (Figura 19). Como mencionamos anteriormente, a GS incorpora o NH3 no glutamato, produzindo a glutamina no citosol da célula infectada. A glutamina é, então, convertida para ácido úrico, o qual é translocado para células vizinhas não infectadas (Figura 20). Nestas células, a alantoina é sintetizada nos peroxissomos a partir do ácido úrico e o ácido alantóico é sintetizado a partir da alantoina no retículo endoplasmático. A citrulina é sintetizada a partir da ornitina. Os ureídeos, uma vez na parte aérea, são rapidamente catabolizados e liberam NH4 +, o qual é assimilado na rota GS-GOGAT. 100 A vantagem dos ureídeos está relacionada à eficiência de transporte de nitrogênio para a parte aérea, com grande economia de carbono. Por exemplo, alantoina e ácido alantóico possuem relação 4N/4C e a citrulina 3N/6C. As amidas asparagina e glutamina têm relações de 2N/4C e 2N/5C, respectivamente. Figura 20 – Esquema geral mostrando a assimilação de N2 fixado nos nódulos que formam ureídeos (Hopkins, 2000). BIBLIOGRAFIA FERRI, M. G. (Coord.) Fisiologia Vegetal, v. 1. 2nd ed. São Paulo: EPU, 1985, 361p. MARSCHNER, H. Mineral Nutrition of Higher Plants. 2nd ed. London: Academic Press, 1995, 889p. HOPKINS, W. G. Introduction to Plant Physiology. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2000, 512p. SALISBURY, F. B., ROSS, C. W. Plant Physiology. 4th ed. Califórnia: Wadsworth Publishing Company, Inc., 1991, 682p. TAIZ, L., ZEIGER, E. Plant Physiology. 2nd ed. Massachusetts: Sinauer Associates, 1998, 792p. TAIZ, L., ZEIGER, E. Fisiologia Vegetal. 3ª edição. Editora Artmed, 2004, 719p. BACTERIOIDE PLASTID N2 N2 NH3 Purine Glutamine NH+4 RCOO- Suga r Infected cell Uninfected cell ENDOPLASMIC RETICULUM MICROBODY Uric acid Uric acid Allantoin Allantoin Suga r Allantoi c acid Export (via xylem) 101 ESTUDO DIRIGIDO No 03 ASSUNTO: NUTRIÇÃO MINERAL 1 – Quais os critérios básicos para caracterizar um elemento essencial? 2 – Como se explica ser o cloro um elemento essencial, se o mesmo não entra na composição de nenhum composto orgânico tido como essencial? 3 – Explique porque, embora sendo o cobalto necessário à fixação simbiótica de nitrogênio, ele não seja considerado um elemento essencial. 4 – Cite o símbolo químico, as formas de absorção e as principais funções dos macro e micronutrientes. 5 – Defina transporte ativo e passivo. 6 – Cite e caracterize as proteínas transportadoras da membrana celular. 7 – Defina simporte e antiporte. 8 – Indique como ocorre a absorção de íons e o transporte desde o solo até o xilema radicular. 9 – Defina nitrificação. Como ocorre a nitrificação? Quais as vantagens da nitrificação para as bactéria e para os vegetais superiores? 10 – Explique como ocorre a redução de nitrato a amônia, caracterizando as respectivas enzimas. 11 – Quais as principais enzimas responsáveis pela incorporação do NH4 +, produzindo aminoácidos. 12 – Classifique os microorganismos responsáveis pela fixação do nitrogênio. 13 – Descreva a associação existente entre leguminosas e bactérias dos gêneros Rhizobium e Bradyrhizobium na fixação simbiótica do nitrogênio.