Baixe Apostila de Nut...eral de Plantas - aposti1-nutri??o mineral de plantas e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Agronômica, somente na Docsity! NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS NH4+NH4+ N03-N03- H2P04-H2P04- K+K+ S042-S042- N03-N03- Ca2+Ca2+ Mg2+Mg2+ Prof. Carlos Moacir Bonato Prof. Celso João Rubin Filho Profa. Elena Melges Prof. Valdovino D. dos Santos UEM - Universidade Estadual de Maringá Maringá (PR), 1998 UEM - Nutrição Mineral de Plantas 4 - PREFÁCIO A nutrição mineral é essencial para o crescimento e o desenvolvimento das plantas, tendo importância capital, tanto na ciência básica como na ciência aplicada. Impressionantes progressos tem sido feitos nesta última década, no entendimento dos mecanismos de absorção dos nutrientes e suas funções no metabolismo das plantas. Paralelamente, houveram grandes progressos no aumento da produção das culturas pelo suprimento mais racional dos nutrientes minerais às plantas. O objetivo alvo desta apostila é fornecer aos alunos de graduação em agronomia e biologia os princípios básicos de nutrição mineral de plantas, com base no conhecimento atual. Na parte inicial, procurou-se dar enfoque de como os elementos minerais podem estar presentes na solução do solo, bem como os mecanismos e os fatores pelos quais os mesmos podem contatar o sistema radicular das plantas, e serem potencialmente aborvidos. Uma visão de como o sistema radicular influencia na rizosfera também foi enfatizada. Uma vez que os íons para chegarem até os vasos do xilema precisam obrigatoriamente passar pela parede celular e membrana plasmática, teve-se a preocupação de estudá-las resumidamente, suas propriedades, funções, constituição e os principais sistemas de transportes ligados as membranas biológicas. Em seguida, estudou-se o movimento dos íons desde a região de absorção até o xilema, denominado movimento radial. Os aspectos do transporte dos elementos minerais nos vasos do xilema (transporte a longa distância) até atingir a parte aérea, e sua redistribuição pelo floema (transporte a curta distância), segundo sua mobilidade também foram abordados. Seqüencialmente descreveu-se sobre a absorção, transporte, redistribuição e funções dos macro- e micronutrientes. Devido a grande importância e da resposta na produtividade das plantas a aplicação de N, descreveu-se sucintamente sobre a absorção, assimilação, redução e fixação biológica do N. Finalizando discorreu-se sobre alguns aspectos da adubação foliar, diagnose de deficiência e toxicidade dos elementos minerais nas plantas superiores. A nutrição mineral de plantas cobre um campo muito vasto, portanto, é praticamente impossível tratar todos os aspectos com detalhes e profundidade. O intento desta apostila e dar uma visão atualizada dos princípios básicos da nutrição mineral, auxiliando assim a aprendizagem dos alunos de graduação. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 7 2. SISTEMA SOLO-PLANTA 2.1 - Características primárias do solo O solo é um sistema complexo constituído de 3 fases: matriz do solo, solução do solo e a fase gasosa. - Matriz do Solo A fase sólida do solo (matriz) é constituída pelas frações mineral e orgânica. A fração mineral resulta da ação da intemperização (física, química e biológica) sobre as rochas e é constituída de partículas de diferentes tamanhos: Areia grossa 2,0 - 0,20 mm de diâmetro Areia fina 0,2 - 0,05 mm de diâmetro Silte 0,05 - 0,002 mm de diâmetro Argila < 0,002 mm de diâmetro (Fracionamento proposto pela Comissão Permanente de Métodos de Campo da S.B.C.S) As 3 principais frações formam o esqueleto do solo mas não exercem nenhuma, ou pequena influência no comportamento físico ou físico-químico do solo. A fração argila, por outro lado, além de influenciar várias propriedades físicas e físico-químicas do solo, determina a capacidade de troca iônica do solo. O Quadro 2.0 apresenta as características e composição química de alguns tipos de argila. A capacidade de trocar cátions das partículas de argila resulta basicamente de: a) Quebra de ligações próximas à margem da unidade estrutural (-) H+, Na+, K+ UEM - Nutrição Mineral de Plantas 8 Quadro 2.0 - Características e composição química de alguns tipos de argila Argila Tipo Comp. Química CTI(meq/100 g) Caolinita 1:1 45-48% Si02 38-40% Al203 3-15% Montmorilonita 2:1 42-55% Si02 0-28% Al203 0-30% Fe203 80-150 Ilita 2:1 50-56% Si02 18-31% Al203 2-5% Fe203 4-7% K20 10-40 b) Substituições isomórficas na estrutura cristalina = Al-0- Si-022- c) Ionização de grupos hidroxílicos expostos -0H ! -0- + H+ Já, a capacidade de trocar ânions resulta de: a) Substituições de grupos hidroxílicos na superfície dos minerais: OH Cl + OH- b) Desbalanço de cargas dentro da estrutura cristalina. Ânions como NO3-, SO42-, Cl-, prendem-se fracamente à micela de argila, enquanto H2PO4- e outros são fortemente atraídos e retidos. Por esta razão, os primeiros permanecem na solução do solo e alcançam concentrações relativamente altas, enquanto o fosfato é fortemente retido. A matéria orgânica do solo resulta da decomposição biológica de microorganismos, animais e, principalmente, vegetais. Fornece mais de 95% do nitrogênio total, 5 a 60% do fósforo e 10 a 20% do enxofre total do solo. B - Solução do Solo UEM - Nutrição Mineral de Plantas 9 A solução do solo é o compartimento de onde a raiz retira ou absorve os elementos essenciais. É constituída de uma solução de eletrólitos em equilíbrio com a fase sólida como mostrado abaixo: Fase sólida ↔ Solução do solo ↔ ↔ Parte aérea ↑ Adubação e Calagem A fase sólida do solo é o reservatório ( M.0. + fração mineral) do solo. A remoção de íons da fase líquida pelas plantas que resulta em novas dissoluções da fase sólida até o restabelecimento do solo, é bastante variável, como pode ser observado no Quadro 2.1. Quadro 2.1 - Composição da solução do solo em vários tipos de solo Tipo de solo pH Ca+2 Mg+2 K+ Na+ ∑C+ NO3 Cl- HCO3- S04-2 ∑A- Ácido 4.2 1.0 1.4 0.4 0.4 3.2 3.8 0.2 - 0.8 4.8 Arg.-aren. 7.2 21.0 1.2 0.7 1.8 25.1 15.6 2.2 1.1 7.0 25.9 Com cultivo 7.3 10.1 7.1 1.8 0.7 1.8 3.7 - 1.1 12.5 18.0 Sem cultivo 7.0 27.9 10.9 21.6 2.8 43.2 29.6 1.4 1.0 9.7 41.7 Salino 8.3 43.5 48.0 9.6 21.7 114.8 31.2 20.1 7.2 56.3 114.8 Observa-se que: a. O Ca e o Mg são, de modo geral, os cátions predominantes na solução do solo. b. A força iônica da solução do solo depende da concentração de ânions não adsorvidos pela superfície negativa dos colóides do solo ( a menos que contenham sítios positivos associados com óxidos de alumínio e ferro, em pH abaixo de 6). Os sulfatos, também, não são fortemente adsorvidos. Estes íons controlam a força iônica global da solução do solo. c. A proporção dos diferentes cátions na solução do solo que fazem o balanço daqueles ânions é determinada por várias fatores tais como: carga dos cátions adsorvidos, sua proporção no complexo de troca iônica e as propriedades a dos íons trocados. C) Fase Gasosa UEM - Nutrição Mineral de Plantas 12 A formação de gradientes de concentração na proximidades das raízes foi demonstrado para P e para K pela técnica da autoradiografia. O gradiente de concentração para fósforo em raízes de milho pode ser observada na Figura 2.0. Figura 2.0 - Autoradiografia de raízes de milho em um solo marcado com 32P mostrando zonas de depleção do fósforo nas imediações das raízes ( remoção do 32P é indicado pelas zonas pretas). Alguns dos principais fatores que afetam a difusibilidade dos íons no solo estão contidos nos termos da equação do coeficiente de difusão abaixo: D = D1 θ f1 ( dC1 1/ dC) + DE+ a. Conteúdo Volumétrico de Água no Solo (θ ) O aumento do conteúdo hídrico do solo (θ ) resulta numa diminuição na tortuosidade da rota de difusão e, portanto, num aumento na taxa de difusão e, portanto, num aumento na taxa de difusão. Pode afetar também a distribuição do íon entre a fase sólida e a solução. b. Impedância (f1) Este fator leva em consideração primariamente a tortuosidade da rota seguida pelo íon nos poros do solo. Ele pode afetar aumentando a distância a ser percorrida ou reduzindo o gradiente de concentração ao longo desta rota. Além disso, pode incluir o efeito do aumento na viscosidade da água próximo a superfície carregadas e influencia na absorção de ânions (repulsão pelas cargas negativas das micelas de argila). Em solos muito secos f1 tem valores muito baixos ( 2 x 10-4 em ψw = -10 MPa; 10-2 em ψw = -1Mpa) , mas entre -1 e -0,1 bares aumenta linearmente com o conteúdo hídrico. Em solos saturados f1 tem valores entre 0,4 e 0,7. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 13 c. Capacidade tamponante do solo ( dC/dC1) Representa a capacidade do solo reabastecer a solução do solo num definido soluto à medida que o mesmo vai sendo retirado pelas plantas ou outro processo qualquer. A capacidade tamponante do solo depende do fator quantidade (Q) que representa a quantidade do nutriente disponível no solo e do fator intensidade (I) que reflete, em temos simples, a concentração do nutriente na solução do solo. As principais inter-relações entre estes fatores são ilustradas na Figura 2.1. Figura 2.1 - Representação esquemática das inter-relações entre os fatores quantidade e intensidade no fornecimento de nutrientes às raízes da planta (adaptado de MARSCHNER, 1997). As raízes das plantas absorvem, principalmente, os nutrientes que estão na solução do solo cuja concentração é mantida, por sua vez, por um “pool extraível”, muito maior, onde os nutrientes estão adsorvidos. 2.3 - Fatores que afetam a absorção de íons Há vários fatores que influenciam a absorção de íons. Estes fatores podem ser tanto internos como externos. Os internos referem-se aos fatores intrínsecos a planta, enquanto que os externos são todos os fatores do meio (tanto bióticos como abióticos) que influenciam de forma direta ou indireta a absorção de íons. Os modelos matemáticos para explicar a absorção de íons do solo são complexos, e podem didaticamente ser separados em grupos, como mostra a Figura 2.2. O grupo de fatores do solo define a taxa pela qual os íons alcançam a superfície radicular, podendo então, ser absorvidos, levando também em consideração a distribuição das raízes. A transpiração da planta neste grupo é de grande importância uma vez que ela influencia no fluxo de água para as raízes. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 14 FATO R ES DO SO LO !Distribuição das raízes !Densidade de raízes !Fluxo de água para a ra íz !Coefic iente de d ifusão e fetivo !Capacidade tam pão !Concentração in icia l da solução FATO R ES M O RFOLÓ G IC O S ! In fluxo m áxim o (M ecanism o I) ! Constante de M ichaelis M enten (Km , V m ax , C m in ) FATO R ES DE ABSO RÇÃO CO NC ENTR AÇ ÃO NA SUPERFÍCIE RADICU LAR ÁREA R AD ICU LAR CAPACIDADE D E ABSOR ÇÃO IN FLU XO D E ÍO N S ➤ Taxa de crescim ento da ra iz ➤ Raio m édio das raízes ➤ Freqüência de pelos absorventes ➤ Com prim ento dos pêlos radicula res ➤ Q uantidade e frequência de m icorriza Figura 2.2 - Esquema dos parâmetros que são usados para a elaboração de cálculos matemáticos para explicar a absorção de elementos minerais pelas raízes no solo (CLARKSON, 1985). O grupo dos fatores morfológicos define a taxa de crescimento da área de absorção do sistema radicular, o que influencia diretamente a taxa de absorção dos nutrientes. As micorrizas (VA) podem aumentar a área de absorção e por conseqüência melhorar os mecanismos de absorção da planta. O grupo do fatores de absorção está estritamente ligado as constantes cinéticas de absorção (Vmax, Km e Cmin). Assim, verifica-se que o “influxo de íons” é determinado por vários fatores, e que qualquer alteração em um destes fatores acarretará mudanças na capacidade de absorção dos íons e, portanto, no influxo de íons pelo sistema radicular. Deve-se ressaltar que a disponibilidade dos elementos minerais no solo dependem de vários fatores como; pH, umidade, concentração do elemento no solo, aeração, matéria orgânica, competição entre os íons pelos mesmos ou diferentes sítios de absorção na membrana plasmática do sistema radicular. Além desses itens acima citados deve-se sempre levar em consideração que as raízes também possuem grande influência sobre a rizosfera, e assim, sobre a disponibilidade dos nutrientes, devido as modificações nas concentrações dos nutrientes, no pH da rizosfera, e na produção de exsudatos radiculares. Os microrganismos são agentes que podem também influenciar sobremaneira a disponibilidade e a eficiência dos mecanismos de absorção dos elementos minerais. A seguir descrever-se-á os principais fatores a influenciar a absorção iônica considerando o exposto acima: UEM - Nutrição Mineral de Plantas 17 Figura 2.5 - Variação do pH da solução externa em relação ao tempo quando plantas de sorgo são suprida somente com NO3-, ou somente com NH4+ ou com ambos na proporção de 8NO3- :1NH4+. Concentração de N total, 300 mg L-1. (MARSCHNER, 1997). Quando as duas formas são adicionadas concomitantemente, há uma tendência ao equilíbrio do pH (Figura 2.5). b. Produção de CO2 pela respiração radicular. Durante a respiração há a produção de CO2 que ao se dissolver no meio causa redução do pH do mesmo: C02 + H2O H2CO3 HCO3-H+ +- c. Troca de H+ por microrganismos associados à rizosfera. R-C00-H+ + Na+ <--------> R-COO-Na+ + H+ d. Excreção de H+ por microrganismos associados à rizosfera. As variações de pH afetam a disponibilidade dos elementos e a permeabilidade das membranas como mencionado anteriormente, e a solubilidade de certos íons. Em geral, pH baixo, favorece a solubilização, enquanto que pH mais alto, favorece a precipitação de sais e/ou hidróxidos de cátions polivalentes. Por exemplo, Al3+ e Fe3+ são muito solúveis em pH abaixo de 4, enquanto que em pH mais elevado podem precipitar na forma de seus hidróxidos ou de fosfato (dependendo dos níveis de fósforo do meio). B. Aeração A absorção ativa de íons é dependente de energia metabólica (ATP), que provem quase que exclusivamente da respiração. Quando a tensão de O2 diminui, a absorção de íons como o K e o P também diminuem, sendo a redução mais significativa a baixas tensõesm, como mostrado no Quadro 2.4. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 18 Quadro 2.4 - Efeito da pressão parcial de O2 em torno das raízes na absorção do potássio e do fosfato por plantas de cevadaa Pressão Parcial de Oxigênio (%) Absorção b Potássio Fósforo 20 100 100 5 75 56 0,5 37 30 a Baseado em HOPKINS et al. (1950), MARSCHNER, 1997). b Dados representam valores relativos. A dependência de energia na absorção, pode também ser observada na Figura 2.6, onde se observa o aumento na absorção do fósforo com o aumento na tensão do oxigênio em raízes destacadas de cevada. Assim, pode-se com propriedade afirmar que a deficiência de oxigênio é um dos fatores que pode limitar substancialmente o crescimento das plantas em substratos pobremente aerados, como é o caso de solos alagados ou compactados. As práticas culturais que aumentam o teor de oxigênio no solo, como a aração, gradagem, subsolagem e o plantio direto contribuem para melhorar a eficiência de absorção dos nutrientes. A aeração tem também efeito indireto sobre a absorção uma vez que aumenta a disponibilidade dos nutrientes no solo devido; a transformação da matéria orgânica (mineralização), oxidação de elementos como o NH4+ a NO3- (ex. bactérias nitrossomonas e nitrobacter), e do S2 a SO42- (forma de enxofre absorvida pelas raízes). Todavia, a aeração pode em alguns casos reduzir a disponibilidade de Fe, pela oxidação da forma ferrosa à forma férrica (menos absorvida). Já a baixa aeração do solo, como ocorre em solos alagados, pode acarretar fitotoxidez pelo excesso de Fe2+ e de Mn2+ acumulado. Figura 2.6 - Efeito da tensão do O2 sobre a taxa de absorção de P por raízes destacadas de cevada (HOPKINS, 1956, citado por MENGEL & KIRKBY, 1987). UEM - Nutrição Mineral de Plantas 19 C. Temperatura Nos processos físicos, a troca de cátions adsorvidos no espaço livre aparente (ELA) é muito pouco afetada pela temperatura (Q10* = 1,0 ~ 1,2). Entretanto, reações químicas são muito mais dependentes de temperatura. Um aumento na temperatura de 10°C aumenta a reação química em um fator de 2 (Q10 ~ 2,0). Para reações bioquímicas valores maiores do que 2 são observados. Da mesma forma, para a absorção de potássio, o Q10 freqüentemente é maior do que 2, considerando a temperatura dentro de níveis fisiológicos (Figura 2.7). Uma comparação dos valores de Q10 para a absorção de íons e respiração, revelam que a absorção de íons é mais dependente de temperatura do que a respiração, especialmente em baixas temperaturas. Isto pode indicar, que plantas sensíveis ao congelamento como o milho, podem restringir a absorção de íons a baixa temperatura em primeira instância devido a redução da fluidez da membrana e depressão acentuada da atividade da bomba H+ - ATPase ligada a porção interna da membrana. Em temperaturas supraótimas, a respiração aumenta e a absorção diminui (Figura 2.7), indicando uma possível desnaturação protéica da membrana plasmática, e a conseqüente perda da permeabilidade seletiva. Figura 2.7 - Efeito da temperatura sobre as taxas de respiração (•), absorção de P (o ) e de K () por segmentos de raiz de milho (Bravo e URIbe, 1981, citado por MARSCHNER, 1997). * Refere-se a alteração na taxa de uma reação ou processo (Ex. taxa de transporte na membrana) imposta por uma alteração na temperatura de 10°C. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 22 Observa-se na Figura 2.8, que na “inibição competitiva”, o ponto de intersecção da ordenada permanece o mesmo, mudando apenas o coeficiente angular da reta. Neste caso, não há mudança no Vmax, pois aumentando a concentração do elemento o efeito do inibidor é anulado. Já, na “inibição não competitiva” tanto o ponto de intersecção na ordenada quando o coeficiente angular é alterado, havendo desta forma mudança no Vmax, uma vez que o aumento na concentração do inibidor (I) o efeito do elemento não é anulado. Todavia, não há mudança no Km. b. Sinergismo - deve-se ao estímulo positivo na absorção de um elemento pela presença de outro. Um exemplo de sinergismo é o estímulo a absorção de cátions e ânions na presença do Ca em baixa concentração (efeito VIETS). O Mg2+ também aumenta a absorção do fósforo. Alguns exemplos do efeito interiônico podem ser apreciados no Quadro 2.6. Quadro 2.6 - Efeitos interiônicos de alguns elementos G. Micorrizas As micorrizas são associações simbióticas entre certos tipos de fungos com as raízes das plantas. A associação micorrízica se caracteriza por um contato íntimo e perfeita integração morfológica e, pela troca de metabólitos entre os simbiontes. As micorrizas ocorrem na maioria das espécies vegetais superiores, sendo a colonização das raízes pelos fungos estimulada pela liberação de substâncias orgânicas pelas plantas e por microrganismos do solo. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 23 O estabelecimento do fungo representa um dreno bastante elevado de fotoassimilados da parte aérea para as raízes. O tecido fúngico, dependendo do tipo de micorriza, pode drenar e acumular de 10 a 45% dos fotoassimilados transferidos para as raízes. Os benefícios da simbiose para a planta dependem, pois, do balanço entre este dreno causado pelo fungo e da capacidade de promover modificações que favorecem o crescimento da planta. Os principais tipos de micorrizas podem ser visualizados na Figura 2.9. FIGURA 2.9 - Representação esquemática das principais características estruturais de micorrizas vesículo-arbuscular (VA) (à esquerda), e de ectomicorrizas (à direita). RM, rizomorfas. As ectomicorrizas, encontradas principalmente em espécies arbóreas de clima temperado, caracterizam-se pela formação de um compacto manto micelial em torno das raízes colonizadas. O fungo penetra, também, nos espaços intercelulares do córtex das raízes da planta hospedeira formando uma rede micelial denominada “rede de Hartig”. Filamentos de hifas no manto micelial podem estender-se no solo, a vários centímetros das raízes infectadas, absorvendo nutrientes da solução do solo que normalmente não podem ser alcançados pelas raízes das plantas. As micorrizas vesículo-arbusculares (VA), presentes em quase 80% das espécies vegetais, caracterizam-se pela penetração inter e intracelular do micélio do fungo. O micélio penetrando numa célula desenvolve um complexo sistema de ramificações que mantém um íntimo contato com a membrana plasmática da célula hospedeira. Há, em conseqüência, grande expansão superficial da membrana plasmática favorecendo as trocas de metabólitos entre os simbiontes. Os principais benefícios atribuídos a associação micorrízica são: a. Aumento na área superficial de absorção. O manto micelial se estende por vários centímetros no solo aumentando enormemente a superfície de contato/absorção de água e sais minerais do sistema simbiótico. De acordo com a estimativa de HARLEY (1989) as raízes micorrizadas podem ter sua área superficial aumentada em até 1000 vezes. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 24 b. Aumento na eficiência dos mecanismos de absorção de nutrientes minerais. O fungo pode secretar enzimas hidrolíticas (fosfatases ácidas, por exemplo) que aumentam a disponibilidade de certos substratos ou pode contribuir para um aumento na eficiência dos mecanismos de absorção refletidos em aumento de Vmax e diminuição de Km e de Cmin (ver item 4.3 – Cinética de absorção). Quadro 2.7 - Efeito da colonização das raízes de Pinus caribaea com Pisolithus tinctorius sobre a produção de matéria seca e fresca e sobre as constantes cinéticas da absorção de P Condição da raiz Infecção Peso da Mat. Fresca Constantes Cinéticas (%) (g) µmole g_1 h-1 µM µM Não Micorrizada 0 8,2 0,23 16,4 12,0 Micorrizada 87 12,3 0,30 3,9 0,3 FONTE: PACHECO & CAMBRAIA, 1992. As raízes micorrizadas (aproximadamente 87% do sistema radicular) apresentam maiores valores de Vmax e muito mais baixos valores de Km e de Cmin indicando uma maior eficiência na absorção de P do que as não-micorrizadas (Quadro 2.7). Resultados como estes têm sido constatados não somente em ecto- mas também em endomicorrizas, tanto para P como também para outros elementos minerais. c. Aumento na resistência a estresse hídricos e nutricionais. d. Proteção contra patógenos do solo. 2.4.2 - Fatores internos A. Potencialidade genética O processo de absorção iônica está sob o controle genético. Mesmo entre cultivares pode se encontrar diferenças na capacidade e na velocidade de absorção iônica, em decorrência de vários fatores como: diferenças nos valores dos parâmetros cinéticos (Vmax, Km e Cmin), na capacidade de solubilizar elementos na rizosfera, na produção de secreções radiculares, na capacidade de estabelecer simbiose, associações, etc. Certos cultivares, tolerantes ao alumínio, por exemplo, absorvem em maior proporção o P e o Ca, como um mecanismo de defesa contra este elemento fitotóxico. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 27 Figura 3.0 - Diagrama da ultraestrutura de um plasmodesma. RE = Retículo endoplasmático. Os elementos minerais para atingir a membrana plasmática, primeiramente devem passar pela parede celular. A difusão através da parede celular depende: a. Espaço molecular Há entre as microfibrilas e entre as micelas espaços, chamados interfibrilares, que possuem diâmetro médio de 10 e 1 nm, respectivamente. O tamanho destes espaços podem ser reduzido, até certo ponto, pela presença de matriz amorfa. Mesmo assim, a água e os pequenos solutos possuem diâmetro inferior a estes espaços, como se pode observar no Quadro 3.0, portanto, não há impedimento físico para os elementos minerais. Quadro 3.0 - Tamanho de vários solutos Soluto Tamanho Não Hidr. Hidratado Soluto Tamanho Não Hidr. Hidratado H20 0,39 - Mg2+ 0,13 0,92 Glicose 0,89 - Ca2+ 0,20 0,88 Na+ 0,27 0,54 Cl- 0,36 0,50 NH4+ 0,30 - Obs.: O coeficiente de permeabilidade (Pj) de um pequeno soluto carregado eletricamente através da PC, pode ser até 1.000.000 vezes maior do que através da membrana plasmática. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 28 b. Cargas elétricas A penetração de solutos em tecidos vegetais, como o radicular por exemplo, seque quase sempre uma isoterma como a que segue: Baixa Temperatura ou com veneno metabólico Tempo Absorção Fase 1 Fase 2 ELA Ab so rç ão d e So lu to Temperatura Normal sem veneno metabólico Figura 3.1 - Absorção em função do tempo Como se observa na Figura 3.1, a penetração de solutos em tecidos vegetais em função do tempo exibe basicamente duas fases: a) Uma fase 1 rápida, com t1/2 * de saturação do sistema de poucos minutos, não influenciadas por baixas temperaturas e por venenos metabólicos. Esta fase é passiva e corresponde a ocupação do espaço livre aparente (ELA) ou apoplasto. b) Uma fase 2 lenta, linear e que leva várias horas para se completar. Esta fase é eliminada por baixas temperaturas e por venenos metabólicos, sendo, portanto, ativa ou metabólica. Corresponde à passagem do soluto através de uma membrana celular e, portanto, constitui o que se pode chamar de absorção verdadeira. O ELA corresponde a 8 a 15 % do volume total do tecido e é constituído de espaço livre de Donnan (ELD) e espaço livre á água (ELW). O ELD corresponde a cerca de 2% do volume total do tecido, e é o local possuidor de carga elétrica líquida onde os íons podem ser adsorvidos (Figura 3.2). A parede celular possui grupos ionizáveis que produzem carga elétrica negativa (grupos carboxílicos livres das pectinas) e/ou carga elétrica positiva (glicoproteínas). A primeira predomina amplamente sobre a segunda, de tal forma que a raiz é considerada um trocador de cátions. As dicotiledôneas possuem, em geral maior CTC. * t1/2 – tempo necessário para saturar 50% do sistema UEM - Nutrição Mineral de Plantas 29 Figura 3.2 - Diagrama esquemático do sistema de poros do Espaço Livre Aparente; Espaço Livre de Donnan (ELD) e Espaço Livre a Água (ELW). 3.2 - Membrana Plasmática A membrana plasmática é uma estrutura lipoprotéica extremamente fina (8 a 10 nm) que separa o protoplasto do meio exterior. Constitui uma efetiva barreira à livre movimentação de solutos, controlando o fluxo para dentro e para fora das células. Entretanto, não é uma barreira meramente passiva. Possui vários tipos de proteínas especializadas na promoção ou catálise de vários eventos metabólicos. São providas de bombas, transdutores de energia, receptores na sua superfície, logo, controlam a composição quantitativa e qualitativa do citoplasma influenciando profundamente no metabolismo celular. • Funções básicas As funções básicas principais são: a. Permeabilidade Seletiva A membrana plasmática é capaz de diferenciar dentre os diferentes solutos disponíveis no meio externo promovendo a absorção de uns em detrimento de outros. A base da seletividade não é bem conhecida, mas pode ser explicada em parte pela força do campo elétrico do sítio de ligação/absorção no transportador ou no canal iônico. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 32 c. Fosfolipídios Os fosfolipídios são os mais importantes, e constituem de 20 a 60% do lipídio total das membranas. São diacilgliceróis aos quais está esterificado um ácido fosfórico. Os principais são: ácido fosfatídico, fosfatidil colina, fosfatidil etanolamina, fosfatidil inositol e fosfatidil serina. Os principais ácidos graxos presentes na fração lipídica de membrana plasmática são: ácido palmítico (16:0), ácido esteárico (18:0), ácido oléico (18:1), ácido linoléico (18:2) e ácido linolênico (18:3). O grau de insaturação é importante fator de adaptação de plantas à baixas temperaturas, uma vez que quanto maior o grau de insaturação do ácido graxo menor o ponto de fusão. A tolerância de espécies ao frio, estão relacionadas em grande parte, a capacidades que estas espécies tem de alterar a composição dos ácidos graxos menos insaturados por ácidos graxos mais insaturados (maior número de ligações duplas. d. Glicolipídios São diacilgliceróis aos quais estão esterificados uma ou mais unidades monossacarídicas de glicose ou galactose. Os dois principais são: monogalactosil e digalactosil. e. Esfingolipídios 0s esfingolipídios são derivados da esfingosina. • Permeabilidade das membranas A membrana plasmática é uma bicamada semifluídica de lipídios onde estão mergulhados glóbulos de proteína. Os solutos, para atravessar a membrana, podem fazê-lo através da camada lipídica ou através de proteínas (transportador ou canal iônico). Assim, a seletividade ou permeabilidade depende, entre outros fatores do tipo de soluto e da rota metabólica a ser percorrida (via camada lipídica ou protéica), podendo ter, desta forma, componentes passivos e/ou metabólicos. A membrana plasmática por ser essencialmente apolar, apresenta forte restrição ao movimento de solutos polares (íons por exemplo). A permeabilidade das membranas, depende também em grande parte do peso molecular e da polaridade do soluto em questão. Além destes fatores a permeabilidade da membrana depende da: a. Temperatura - o aumento da temperatura aumenta a vibração das moléculas constituintes da membrana, aumentando a permeabilidade das membranas b. Energia metabólica - a manutenção da estrutura e da função das membranas importa em gasto de energia metabólica. Assim, qualquer fator que afete a produção de energia (tensão de oxigênio, venenos metabólicos, etc) provoca aumento na permeabilidade das membranas. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 33 c. Íons orgânicos - podem apresentar efeitos gerais e específicos. Os cátions monovalentes ao interagirem com o sistema água/macromolécula, promovem a contração das proteínas com o afrouxamento da camada lipídica, aumentando a permeabilidade das membranas. Os cátions divalentes tem efeito exatamente oposto sobre a permeabilidade das membranas. A explicação para este comportamento não está ainda bem clara. 3.3. Sistemas de transporte através da membrana A membrana plasmática, bem como outras membranas celulares, controla intenso transporte de solutos para dentro e para fora das células (Figuras 3.4). Os principais sistemas de transporte operando nestas membranas são: A) Transporte Passivo O transporte passivo engloba todas as formas de transporte de soluto que se fazem à favor do gradiente de potencial eletroquímico sem gasto direto de energia. Os principais tipos são: a) Difusão Simples através da bicamada lipídica. Possui pequena importância para íons que encontram elevada resistência nesta fase. As principais substâncias que se movem por este processo são principalmente gases como 02, N2 e CH4. b) Difusão facilitada em que o movimento através da membrana é intermediado por transportadores ou permeases, como a permease de glicose em eritrócitos. c) Difusão através de canais iônicos ou difusão através de poros formados por proteínas embebidas na matriz lipóidal das membranas. B) Transporte Ativo O transporte ativo engloba, basicamente, duas modalidades de transporte: 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 (Figura 3.5). UEM - Nutrição Mineral de Plantas 34 Figura 3.4 - Principais mecanismos de transporte na membrana plasmática. (A) H+-ATPase; (B) Canal iônico; (C) Transportador; (D)Proteínas acopladas a percepção de sinal e transdução. (MARSCHNER, 1997). Quando o íon atravessa sozinho a membrana é dito uniporte. Quando dois íons entram juntos, no mesmo sentido é dito simporte. Já, quando dois íons passam ao mesmo tempo pela proteína, mas em sentidos opostos é dito antiporte. Estes dois últimos são considerados sistemas em co-transporte. Figura 3.5 – Esquema mostrando o tipo de transporte secundário na membrana. No Quadro 3.2 está sumarizado os principais tipos de transportes. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 37 Estrutura Mecanismo de Ação A H+-ATPase é uma proteína com peso molecular em torno de 100 kD, cuja estrutura provável é mostrado na Figura 1. : Citoplasma Domínio auto-inibitório Exterior Celular NH2 COOH P Canal de Cation ? Domínio Transdução Domínio Cinase D. Fosfatase Figura 1 – Modelo estrutural hipotético para a H+-ATPase Como se observa o polipeptídio ao interagir com a bicamada de lipídios forma 4 regiões bioquimicamente importantes: - Uma região de atividade fosfatásica - Uma região de transdução - Uma região de atividade de cinase - Um canal para cátions, por onde o H+, provavelmente, se desloca. Os prótons transportados pela H+-ATPase originam-se provavelmente da molécula de água e movem-se através de um canal para cátions da própria molécula protéica: ATP4- + H20 ↔ ADP-3 + HP042- + H+ O número de prótons transportados por ATP hidrolizado é aproximadamente igual a 1. Modelo de Funcionamento Existem três hipóteses de funcionamento da H+-ATPase: - O K+ ativa a bomba de prótons e é trocado por prótons - O K+ ativa (do lado citoplasmático) mas não é transportado pela bomba de prótons - O K+ ativa mas é transportado através de um canal de K+ associado com a enzima. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 38 Estas possibilidade de funcionamento estão sugeridas no modelo apresentado a seguir: Figura 2 – Modelo de funcionamento da H+-ATPase. Como se observa, a H+-ATPase da membrana plasmática promove a extrusão de prótons com gasto de ATP gerando um gradiente de pH ou de cargas elétricas que pode ser usado para o antiporte ou uniporte de cátions e para o simporte de ânions. A mesma H+-ATPase no tonoplasto, entretanto, bombeia prótons para o vacúolo gerando também um gradiente de pH que possibilita um antiporte de H+/K+ e, possivelmente, um, simporte de ânion acoplado ao bombeamento dos prótons. Neste modelo a se propõe, também, a existência de uma H+-ATPase vacuolar, sensível a Cl-, que bombearia prótons do citossol para o vacúolo. B. Ca2+- ATPase A Ca2+- ATPase é uma ATPase dependente de Mg2+ e estimulada por calmodulina ( uma proteína de baixo peso molecular e relacionada com diversas funções metabólicas do cálcio) que catalisa o bombeamento de Ca2+ do citossol para o meio externo ou para dentro de organelas celulares. A sua atividade cresce com o aumento da concentração de Ca2+ até 25 µM (in vitro), passando a decrescer acima deste valor, sendo o pH ótimo de 7,25. A seqüência de ativação por cátions divalentes é: Ca2+>Sr2+>Mn2+>Cu2+> Co2+>Ba2+. A principal função desta ATPase parece ser a manutenção da concentração citossólica de Ca2+ abaixo de 0,1 µM. CANAIS IÔNICOS Canais iônicos são aberturas ou poros formados dentro de/ou por moléculas de proteínas transmembranas que permitem um movimento difusional de íons a favor de seus gradientes eletroquímicos. Estes gradientes eletroquímicos são produzidos por bombas eletrogênicas, como por exemplo a H+-ATPase, com gasto de energia metabólica. Em conseqüência do estabelecimento destes gradientes que podem ser de pH ou de cargas elétricas observa-se a UEM - Nutrição Mineral de Plantas 39 polarização das membranas ( o potencial de membrana EM pode atingir –200 mV ou mais). O movimento difusional através dos canais iônicos que se segue promove uma rápida despolarização do sistema com o potencial de membrana subindo para 0 mV em aproximadamente 100 ms. A repolarização da membrana, isto é, o retorno do potencial de membrana para valores de –100 a –200 mV é mais lento, levando cerca de 2 s para se completar. A estrutura molecular dos canais iônicos ainda não é conhecida mas sabe-se que eles possuem: - Vestíbulos afunilados que, provavelmente, contêm resíduo de aminoácidos polares e/ou ionizados capazes de atrair os íons permeantes encaminhando-os à entrada do canal. - O poro ou canal, propriamente dito, com filtro de seletividade. O poro é basicamente, um cilindro distorcido formado pela proteína através da camada lipídica. Na face externa possui grupos hidrofóbicos que interagem com os lipídios, mas na face interna inúmeros grupos hidrofílicos alinhados ao longo do cilindro formando o chamado “filtro de seletividade”. Dependendo da força do campo elétrico gerado pelos grupos ionizados do canal e da força de hidratação destes íons, eles ao penetrarem nestes poros serão total ou parcialmente desidratados produzindo determinadas seqüências de seletividade. - “Portão” que controla a abertura/fechamento do poro. Esta abertura/fechamento, muito provavelmente, é determinada por mudanças estruturais da molécula protéica. - Acredita-se que haja um determinado sítio na molécula protéica ou se associa a ela um “sensor” que seria capaz de detectar a influência de certos fatores como luz, hormônios, etc. Um modelo proposto por HILLE (1984) é mostrado na Figura 3. Figura 3 – Modelo de canal iônico Fatores que afetam a abertura do canal iônico a) Diferenças de potencial elétrico. Alguns são abertos por hiperpolarização e outros por uma despolarização da membrana. b) Concentração de íons tais como: Ca2+ e H+ c) Luz d) Hormônios. Diversos estudos sugerem que o canal de Ca2+ podem ser controlados pelos níveis de ABA. Este canal de Ca2+-ativado por ABA, entretanto, passa a ser pouco seletivo permitindo um efluxo paralelo de K+. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 42 Figura 4.0 – Rotas do movimento de íons da superfície radicular até o xilema. (A) Rota simplásmica ou simplástica; (B) Rota apoplástica. As paredes das células da endoderme apresentam uma camada de suberização fortemente aderida a membrana plasmática que impede a passagem dos íons pelas paredes celulares ou entre células para os vasos do xilema, denominada de faixa de Caspari. O efeito da quebra da integridade estrutural da endoderme na absorção de fosfato pode ser observado no Quadro 4.0. Quadro 4.0 - Efeito da quebra da integridade estrutural da endoderme na absorção de fosfato Fosfato (pmoles/s) Período de absorção (h) Estado do Segmento acumulado transportado total 0 – 0,25 Intacto 3,4 0,3 3,7 End. danificada 0,3 3,5 3,8 0 – 4 Intacto 21,0 2,5 23,5 End. danificada 0,3 54,0 54,3 No segmento danificado, o córtex das raízes foi removido ficando apenas o estelo; por observação microscópica, se constatou a quebra da integridade estrutural da endoderme. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 43 b. Simplasto Denomina-se simplasma ou simplasto ao “continuum” citoplasmático. Este “continuum” é possível através de inúmeras plasmodesmas interligando as diversas células. Os detalhes de sua estrutura fina ainda não são perfeitamente conhecidos mas sabe-se que existem algumas variações. Em algumas plantas são simples poros, mas em outras são mais complexos, com o retículo endoplasmático atravessando-os de uma células para outra (Figura 3.0). O centro da plasmodesma é ocupado pelo chamado desmotúbulo que é contínuo com o retículo endoplasmático de duas células adjacentes. A membrana plasmática está em íntimo contato com as duas extremidades do desmotúbulo, dificultando a passagem de solutos maiores de uma célula para outra. Existe, portanto, duas rotas possíveis: a) Pelo ânulo citoplasmático, em torno do desmotúbulo b) Pelo desmotúbulo para as cisternas e canalículos do retículo endoplasmático. O número de plasmodesmas por célula é bastante variável com a espécie vegetal, conforme se observa no Quadro 4.1. Quadro 4.1 - Freqüência estimada de plasmodesmas em certas espécies vegetais Planta Tecido Plasmodesmas/µm2 Aveia Células corticais 3,6 Milho Células meristemáticas da ponta da raiz 14,9 Cevada Células da endoderme (a 1 cm da ponta) 0,6 Trigo Células da endoderme (a 5 mm da ponta) 0,6 Em geral, o maior número de plasmodesmas encontram-se naqueles locais em que há necessidade de boa comunicação entre as células. Nas raízes, especialmente, as plasmodesmas são numerosas entre as células para facilitar a absorção e o transporte de substâncias. Segundo estimativas recentes as células meristemáticas de milho estão interligadas por cerca de 1000 a 100.000 plasmodesmas. c. Movimento dos íons até o xilema Tendo-se em mente que existem duas rotas possíveis para o movimento radial, a questão agora é saber qual será seguida pelo soluto? Ou ainda, que fatores predispõem os solutos a seguirem ao longo delas? Há fortes evidências de que os íons no seu movimento radial percorrem, pelo menos em parte do percurso, rota simplásmica: UEM - Nutrição Mineral de Plantas 44 a) A absorção de íons é inibida por inibidores de síntese de proteínas como por exemplo cloranfenicol. b) A relação de fluxos (Ussing-Teorell) indica que a passagem de íons, principalmente ânions, através do cilindro cortical é ativa e, provavelmente, simplásmica . As duas rotas, entretanto, não precisam ser necessariamente exclusivas. Na realidade, acredita-se, que os íons percorram certa distância no apoplasto por ser mais fácil a rota, mas encontrando um “sítio de absorção” disponível penetram no protoplasma. Daí em diante moveriam-se para o xilema via simplasma. A estrutura e as propriedades da endoderme sugerem que a partir de certo ponto todos os íons precisam atravessar a membrana plasmática e penetrar no simplasma para evitar a barreira imposta pela faixa de Caspari (Figura 4.1). Figura 4.1 – Representação diagramática das rotas possíveis ao movimento radial de íons nas raízes. (1) = Rota simplástica; (2) = Rota apoplástica. Uma vez que a seletividade radicular é imposta pela endoderme, qual seria, então, a razão funcional das células do córtex? Embora não se saiba a resposta exata a esta questão algumas respostas especulativas já foram aventadas. Uma delas seria a do córtex, aumentar a área superficial de membranas, isto é, a área efetiva das raízes, propiciando maior contato com a solução externa e, portanto, maior absorção. 4.2. Mecanismo do transporte radial O mecanismo de transporte radial ainda não foi perfeitamente elucidado e várias hipóteses têm sido aventadas na tentativa de se encontrar uma explicação plausível para o fenômeno. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 47 3. Os fitormônios ácido abscísico (ABA) e benziladenina (sintético) inibem Φcx, mas não afeta Φec. 4. O inibidor de síntese de proteína, cicloheximida, reduz fortemente Φcx, mas não afetam Φec. 5. A substância p-fluorofenilalanina, análogo do aminoácido fenilalanina, inibe a síntese de proteínas e inibe seletivamente Φcx. Consubstancia esta idéia a descoberta de ATPases, igualmente ativas, nas células corticais e nas células do parênquima do xilema. Esta hipótese é atualmente a mais aceita. 4.3. Polaridade do transporte O que determina a polaridade ou a direção do transporte radicular? Ou que forças estão agindo no sistema radicular para determinar o movimento centrípeto dos íons? O fenômeno da exsudação demonstra não somente a polaridade do transporte, como, também, deixa claro que ela é independente da parte aérea e do fluxo transpiracional. O efeito de alguns fatores do ambiente sobre a taxa de exsudação sugere que o transporte polar de íons é um processo ativo: a) Existe uma relação entre a concentração de um íon na solução externa e sua concentração de exsudato. b) A taxa de exsudação é inibida por venenos metabólicos (CN-, DNP e Arsenato) e baixas temperaturas. Além disso, experimentos como os de BOWLING et al. (1966) mostram haver uma diferença de potencial elétrico entre a solução externa e o exsudato de -50 a -60 mV. Para obtenção desta informação utilizaram o dispositivo esquematizado na Figura 4.3. Eletrômetro Eletrodo de Referência Exsudato Figura 4.3 - Dispositivo para medição do potencial trans-radicular. Com base nas concentrações dos íons na solução externa e no exsudato concluíram que: UEM - Nutrição Mineral de Plantas 48 a. Os ânion estavam se movendo para o xilema contra o gradiente de potencial eletroquímico e, portanto, ativamente. b. Os cátions, por outro lado, estavam se movendo à favor do gradiente de potencial eletroquímico e, portanto, ativamente. O fluxo polar dos íon, portanto, parece ser determinado pelo transporte ativo dos ânions, com os cátions os acompanhado para manter o balanço iônico. Trabalhos posteriores demonstraram a existência de dois componentes na formação deste potencial trans-radicular: um entre o meio exterior e as células corticais e outro entre as células do periciclo e o exsudato. Este resultado é bastante concordante com hipótese das duas bombas e com as evidências da existência de duas ATPases nestes pontos. Segundo estas idéias, portanto, fenômeno da pressão radicular e, consequentemente, a exsudação da seiva xilemática seria resultante da secreção do ânion, mediada por um transportador, para os vasos do xilema. o movimento de água se daria por osmose em conseqüência da maior concentração de solutos nos vasos do xilema. 4.3. Cinética de absorção de íons Um dos primeiros estudos de cinética de transporte de íons foi a avaliação da absorção de fosfato em cana-de-açúcar. Através de evidências deste experimento, estabeleceu-se a hipótese dos “carregadores” ou “transportadores”, que funcionavam como uma esteira rolante que movendo continuamente os íons do meio exterior para dentro das raízes. Mais tarde a idéia evoluiu para um sistema constituído de subunidades, componentes das membranas, que complexariam através da membrana e, então, os liberariam no citoplasma (Figura 4.4). I T TI I T T Solução externa Membrana Citoplasma Figura 4.4 – Representação esquemática do funcionamento de um transportador de íons. O conceito de transportadores, contudo, somente foi aceito depois de ser estudado por EPSTEIN & HAGEN (1952), os quais aplicaram os princípios de cinética enzimática de absorção iônica. Da mesma maneira que as enzimas transformam o substrato, o transportador formaria um complexo transitório intermediário com o íon da solução externa e, por meio de uma mudança de UEM - Nutrição Mineral de Plantas 49 configuração ou um movimento de rotação dentro da bicamada lipídica, o transportaria através da membrana (Figura 4.5). E + S ES E + P I + T TI T + I Sol. externa Membrana Citoplasma Figura 4.5 – Reações comparativas entre o transporte de íons e a ação enzimática. A semelhança das enzimas, a velocidade de absorção do íon pode ser obtido, também, pela equação de Michaelis-Menten: M T KI IVV + = ][ ][ max onde: V = velocidade de absorção do íon [ I ] = concentração do íon na solução externa Vmax = velocidade máxima de absorção KM = constante de Michaelis-Menten ( concentração necessária para se atingir metada de Vmax A velocidade de absorção de íons em soluções de baixas concentração (0 a 0,2 mM) segue, quase que universalmente, a cinética simples de Michaelis- Menten (Figura 4.6). 0,20,1 Km Ve lo ci da de d e ab so rç ão - V Vmax 1/2 Vmax Concentração do íon (mM) Figura 4.6 – Cinética de absorção iônica. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 52 Após 5 horas de exposição o caule foi segmentado e a quantidade de 42K+ determinada na casca e na madeira. Os resultados são mostrados no Quadro 5.0. Quadro 5.0 - Radioatividade de segmentos de casca e de madeira obtidos de plantas expostas ou não a 42K+ Parte do caule Caule - Tratado Caule - Controle Floema Xilema Floema Xilema 42K+, ppm SB 84,0 58,0 74,0 67,0 S1 20,0 113,0 S2 0,3 108,0 S3 0,3 98,0 S4 0,7 112,0 87,0 69,0 S5 0,9 122,0 S6 11,6 119,0 SA 53,0 47,0 64,0 56,0 Como se observa, o transporte de 42K+ ocorre predominantemente pelo xilema quando se bloqueia a transferência lateral deste íon em direção ao floema. Na planta intacta, ao contrário, ocorre intensa transferência lateral e o 42K+ aparece também na floema, via comumente utilizada para promover a circulação deste íon. Esta contínua transferência do xilema para os tecidos adjacentes, à medida que a seiva ascende para a parte aérea pode, também, ser inferida a partir dos dados de KLEPPER & KAUFMANN (1966). Eles mediram o potencial osmótico dos exsudatos colhidos do caule e das folhas em diferentes locais da planta e líquidos de gutação. Observou-se que o potencial osmótico decresce à medida que a seiva xilemática é colocada em partes mais altas da planta, isto é, a concentração de solutos na seiva decresce à medida que ela se desloca para a parte aérea. O elevado decréscimo no potencial osmótico observado no líquido de gutação comparado ao seu valor no pecíolo indica haver intensa utilização de solutos pelas células do limbo foliar. c. Composição da seiva xilemática A seiva xilemática coletada por vários métodos (exsudação de caules decapitados, líquidos de gutação, etc) apresenta de 0,1 a 0,4% de sólidos, dos quais aproximadamente um terço é constituído de materiais inorgânicos e o restante substâncias orgânicas tais como: açúcares, aminoácidos, etc. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 53 Quadro 5.1 – Composição mineral da seiva xilemática e floemática coletada de Nicotiana glauca1 Floema2 Xilema3 Substâncias µg / ml Matéria seca 170-1964 1,1-1,24 Sacarose 155-1684 ND Açúcares não-redutores ausente - Amino compostos 10.808,0 283,0 Nitrato ND5 - Potássio 45,3 9,7 Amônia 3.673,0 204,3 Fósforo 434,6 68,1 Cloreto 486,4 63,8 Enxofre 138,9 43,3 Cálcio 83,3 189,2 Magnésio 104,3 33,8 Sódio 116,3 46,2 Ferro 9,4 0,6 Zinco 15,4 1,5 Manganês 0,9 0,2 Cobre 1,2 0,1 1 HOCKING, 1980. 2 pH no floema: 7,8-8,0 3 pH no xilema: 5,6-5,9 4 mg l-1 5 Não detectado Como se observa no Quadro 5.1, o xilema apresenta os elementos minerais essenciais, e outros não mencionados, que são absorvidos pelo sistema radicular e transportados para a parte aérea. O floema, por outro lado, apesar de não ser a rota preferencial de transporte para a parte aérea, contém quantidade substancialmente elevada da maioria dos elementos minerais resultado de transferências laterais, conforme já enfatizado. O floema, em função de permitir fluxos bidirecionais, pode ser utilizado, portanto, para redistribuir os elementos minerais. 5.2. Formas de transporte A maioria dos elementos minerais essenciais é transportado no xilema na forma de íons inorgânicos: a) cátions: K+, Ca++, Mg++, Cu++, Zn++ e Mn++ b) ânions: Cl- , S04=, H2P04-, H3B03 e Mo04= O nitrogênio, porém, pode estar sob diferentes formas dependendo da espécie vegetal, da fonte externa e do metabolismo radicular. As principais formas UEM - Nutrição Mineral de Plantas 54 de nitrogênio encontradas na seiva xilemática de plantas de soja noduladas ou não são mostradas no Quadro 5.2. Quadro 5.2 – Principais formas de nitrogênio na seiva xilemática de plantas de soja noduladas e não-noduladas Condições das plantas Noduladas Não-noduladas Formas do Nitrogênio % do N-total UREÍDIOS 78 6 Ácido alantóico (53)2 Alantoína (20) Uréia (23) AMINOÁCIDOS 20 36 Asparagina (53)3 (74) Glutamina (17) ( 8) Ácido aspártico ( 6) ( 4) Arginina ( 6) ( 2) NITRATO 58 1 McCLURE & ISRAEL, 1979. 2 % do N-ureídico 3 % do N-aminoacítico total O enxofre, também, depende da presença de sistemas de redução/assimilação nas raízes. Pode aparecer na seiva na forma de metionina, cisteína, mas quase sempre em baixíssimas concentrações. 5.3. Mecanismos da ascensão da seiva xilemática A. Influência da transpiração Está relativamente bem estabelecido que os sais minerais, na sua maioria, são arrastados segundo um fluxo em massa juntamente com a água que se move no xilema em direção às folhas. Acredita-se que o fator mais importante a determinar este fluxo de água para a parte aérea, seja a transpiração foliar. A transpiração é considerada por alguns autores como “um mal necessário” cuja função principal seria promover a dissipação de calor produzido pelo metabolismo das células vegetais. Durante a transpiração desenvolve-se nas folhas um gradiente negativo de pressão hidrostática que se transmite as raízes, passando pelo xilema do pecíolo, caule e raízes. A água é, praticamente, “tracionada” do solo para a parte aérea por esta força em um fluxo xilemático que pode ser calculado pela fórmula de Hagen- Poiseuille: UEM - Nutrição Mineral de Plantas 57 c) Células de transferência do tipo “B” – estas células apresentam invaginações apenas no lado do floema e parecem estar ligados ao descarregamento de substratos ou fotoassimilados destes vasos. FIGURA 5.1 - Diagrama dos tipos de Células de Transferência. A transferência de minerais do xilema para o floema (Figura 5.2) é de fundamental importância, uma vez que o transporte no xilema é direcional, principalmente para os sítios de maior transpiração, que nem sempre são aqueles de maior demanda nutricional. Isto é verdadeiro especialmente para o cálcio uma vez que este elemento possui baixa mobilidade na planta. Figura 5.2 – Transporte a longa distância no xilema (X) e no floema (F) em um caule com uma folha conectada e transferência do xilema para o floema mediada por células de transferência. UEM - Nutrição Mineral de Plantas 58 6. DESCARREGAMENTO DO XILEMA NAS FOLHAS Quando a seiva alcança os terminais dos vasos e traqueídeos xilemáticos nas minúsculas nervuras foliares, a água e sais minerais são descarregados no apoplasto e daí podem se mover através da parede celular e espaços intercelulares para sítios de absorção ou podem ser redistribuídos, lixiviados ou secretados. Algumas plantas possuem uma camada de células de parênquima e\ou esclerênquima em torno do sistema vascular, à semelhança da endoderme nas raízes, chamada bainha do feixe. Na Figura 6.0 é apresentado um modelo de descarregamento do xilema nas células das folhas. Observa-se que há um envolvimento novamente da bomba H+- ATPase que produz o gradiente (bombeando H+ para o apoplasto), eletroquímico favorável para a entrada de cátions em uniporte e dos ânions e aminoácidos em simporte com os prótons bombeados para o apoplasto. Figura 6.0 – Modelo de descarregamento do xilema nas células das folhas. An- ânions ; As-, aminoácidos; Cat+, cátions. (MARSHNER,1995). UEM - Nutrição Mineral de Plantas 59 7. REDISTRIBUIÇÃO DOS ÍONS Como pode ser observado nos dados do Quadro 5.1, o floema possui um pH alto (7 a 8), e contém alta concentração de solutos, em média 15 a 25 % da matéria seca. O principal componente presente no floema é a sacarose, em torno de 90% dos sólidos. Dentre os solutos orgânicos, os aminoácidos estão presentes em maior concentração (glutamina e asparagina). Os íons amônia e nitrato são encontrados, normalmente em baixas concentrações. É comum encontra-se no floema grande quantidade de malato e citrato. Dentre os minerais, o K possui a maior concentração seguido do P, Mg e S. O S ocorre em ambas as formas; reduzidas (glutationa, metionina>cisteína) ou como sulfato (S042-). Observa-se também que o Cl e o Na podem estar presentes em alta concentração, embora esteja estritamente relacionado com a concentração externa. Um dado importante a ser observado, e a baixa concentração de Ca presente no floema, comprovando, de fato, a baixa redistribuição deste elemento. Os nutrientes minerais móveis, inclusive N reduzido podem ser transportados da parte aérea para as raízes, mesmo quando estes nutrientes estão sendo supridos às raízes. Assim, as raízes podem atuar como fonte e dreno dos nutrientes minerais. O grau de mobilidade depende em grande parte, das mobilidades destes íons no floema (Quadro 7.0). Entretanto deve-se sempre ressaltar que o grau de redistribuição também depende do “status” nutricional do elemento em questão. Quadro 7.0 – Mobilidade dos principais elementos minerais no floema ALTA MOBILIDADE MOBILIDADE INTERMEDIÁRIA BAIXA MOBILIDADE Potássio Ferro Cácio Magnésio Zinco Manganês Enxofre Cobre Nitrogênio (N-amino) Boro Cloro Molibdênio Fósforo Sódio Fonte: MASCHNER, 1997. Os sintomas de deficiência dos elementos de mobilidade alta e intermediária, vão aparecer obviamente em regiões mais velhas da planta. Um exemplo clássico é a deficiência de N na planta onde os sintomas são observados pela clorose generalizada das folhas mais velhas da planta. Já, os nutrientes