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Transporte de solutos orgânicos no floema Os compostos produzidos durante a fotossíntese nas folhas das plantas têm que ser transportados para os locais das plantas onde a intensa actividade metabólica os exige. Com a descoberta do floema (elementos de tubo crivoso) por Hartig em 1837, ficou a conhecer-se uma segunda via (para além do xilema) por onde, eventualmente, poderiam circular as substâncias em solução dentro da planta. Contudo, foi só na primeira metade do século XX que, com base em experiências de descorticação dos caules de plantas (Mason e Maskell,1928) (Fig. 1) e no uso de corantes e radioisótpos, foi possivel provar que os solutos orgânicos produzidos na fotossíntese são transportados através do floema. Fig. 1 - Esquema das experiências realizadas por Mason e Maskell sobre a tranlocação de assimilados O floema é um tecido complexo que compreende vários tipos de células e que, especialmente nos tecidos primários, se encontra em estreita relação com os elementos condutores do xilema. Nas Angiospérmicas, o floema é constituido por elementos de tubo crivoso, células companheiras, parênquima floémico e fibras floémicas (Fig. 2). Os elementos de tubo crivoso estão organizados topo a topo em fiadas longitudinais formando longos tubos, os tubos crivosos e, intimamente associados com eles, encontram-se fiadas de células companheiras e outras células de parênquima. Cada elemento de tubo crivoso e a respectiva célula companheira constituem uma unidade funcional simples. Nas paredes transversais dos elementos de tubo crivoso existem grupos de poros de maiores dimensões que as pontuações, chamados placas crivosas, as quais permitem a comunicação longitudinal entre elementos de tubo crivoso contíguos. Fig. 2 – Esquema da estrutura do floema das Angiospérmicas No floema das Gimnospérmicas não existem elementos de tubo crivoso, nem células companheiras. Em substituição dos primeiros vamos encontrar células crivosas e associadas com estas, mas com origem distinta, as células albuminosas. Uma diferença das células crivosas das gimnospérmicas relativamente aos elementos de tubo crivoso, a acrescentar ao facto de serem células individuais e terem origem distinta das células albuminosas, é o de não possuirem proteina-P. Os estudos iniciais da estrutura do floema apresentavam os poros das placas crivosas obstruidos por P-proteina e por calose, um polímero de glicose. Esta situação sugeria que os solutos que circulavam nos tubos crivosos teriam que vencer uma enorme resistência para atravessarem essas áreas obstruidas. Estudos mais recentes vieram mostrar que a obstrução dos poros era consequência das técnicas citológicas e dos fixadores químicos utilizados no fabrico das preparações para microscopia e que, em condições normais, aqueles se encontram desobstruidos e funcionais. Apenas em certas condições (ferimentos e condições ambientais desfavoráveis) os poros das placas crivosas se encontram obstruidos. Composição da seiva floémica Para se poder saber que compostos circulam no floema é necessário recolher amostras do conteudo dos tubos crivosos para serem analisadas. Pelo facto de o conteudo dos tubos crivosos se encontrar sujeito a uma pressão positiva, a recolha das amostras pode ser feita por meio de incisões na casca (inclui o floema) das plantas, ou utilizando afídios (pulgões) que se alimentam directamente da seiva floémica. O primeiro processos apresenta algumas limitações, pois as amostras assim obtidas podem apresentar-se contaminadas com materiais provenientes das células corticais danificadas pelo corte efectuado. Da análise do conteudo dos tubos crivosos conclui-se que se trata duma solução aquosa mais concentrada que a seiva xilémica, com pH próximo de 8, em que mais de 90% dos solutos transportados são hidratos de carbono e destes, o mais representado é, de longe, a sacarose (Tab. 1). Tab.1 Composição química do exsudado floémico de caules de rícino (Ricinus communis) em crescimento Solutos orgânicos mg l-1 Sacarose Proteinas Amnioácidos Ácido málico 80-106 1.45-2.20 5.2 2.0-3.2 Solutos inorgânicos meq l-1 Aniões (inorgânicos) Catiões (inorgânicos) 20-30 74-138 Matéria seca total 100-125 mg l-1 Data retirados de Hall e Baker, 1972 Algumas famílias vegetais podem transportar, em quantidades significativas, outros açúcares como a rafinose, estaquiose e verbascose. Nalgumas plantas também são transportados açúcares-alcoois (hexitois) como o manitol e o sorbitol. Os outros solutos orgânicos mais representados são compostos azotados como aminoácidos e amidas. Para além destes compostos circulam também no floema iões minerais como o K+, fitohormonas, alcaloides e mesmo vírus. Um aspecto a realçar é a ausência de hexoses redutoras (glucose, frutose e manose) na seiva floémica. Mecanismo do transporte no floema Surpreendentemente os solutos deslocam-se de uma forma rápida no floema. As velocidades máximas de transporte podem exceder 2 metros por hora. Mais frequentemente, essa velocidade apresenta valores próximos de 1 metro por hora (Tabela 2). Mesmo assim, esta velocidade, relativamente elevada, é incompativel com um mecanismo de transporte do tipo da difusão, por este ser demasiado lento. Da mesma forma, modelos que predizem que os solutos são transportados por correntes citoplasmáticas nos tubos crivosos têm também que ser postos de lado por serem lentos e por não ser possivel demonstrar a ocorrência de movimentos citoplasmáticos nos tubos crivosos maduros. O mesmo se poderá dizer das propostas que admitem a ocorrência de movimentos peristálticos impulsionados por proteinas contracteis. Actualmente, a hipótese mais aceite para explicar o mecanismo do transporte no floema considera que os solutos orgânicos se deslocam no floema por fluxo em massa, ou fluxo de pressão. Tab.2 Velocidades determinadas experimentalmente para o transporte de solutos no floema Espécie Velocidade (cm h-1) Salix sp. 1,5-100 Glycine max 17-7200 Cucurbita pepo 30-88 Gossypium hirsutum 35-40 Heracleum mantegazzianum 35-70 Triticum aestivum (folha) 39-57 Metasequoia glyptostroboides 48-60 Beta vulgaris 50-135 Phaseolus vulgaris 60-80 Saccharum officinarum 60-360 Triticum aestivum (caule) 87-190 Cucurbita sp. 88-300 Data retirados de Crafts e Crisp, 1971 A hipótese do fluxo de pressão para explicar o transporte de solutos no floema foi proposta por Munch em 1926. Esta proposta diz-nos que a água e os solutos orgânicos nela dissolvidos são translocados unidireccionalmente nos tubos crivosos do floema por acção de um gradiente de pressão estabelecido entre os elementos de tubo crivoso nas “fontes” e os elementos de tubo crivoso nos “centros de importação ou sumidouros” pertencentes ao mesmo tubo crivoso. “Fontes” são os locais da planta onde os açúcares são produzidos por fotossíntese ou por hidrólise do amido. As células do parênquima clorofilino do mesófilo folear são um bom exemplo de “fontes”. Os cotilédones das sementes em germinação são outro exemplo de fontes. Nas fontes a concentração de solutos é normalmente elevada. Por sua vez, os “centros de importação, ou sumidouros” são locais onde os açúcares são utilizados no metabolismo ou armazenados na forma de amido insoluvel. Duma maneira geral, os centros de importação possuem baixas concentrações de solutos. As raizes, as regiões meristemáticas activas e os frutos em desenvolvimento, são exemplos de centros de importação. Em que consiste a teoria do fluxo de pressão? Podemos ilustrar o funcionamento do fluxo de pressão com o seguinte esquema (Fig 3): Fig. 3- Modelo físico ilustrativo do mecanismo do fluxo de pressão proposto por MunchSe tivermos um osmómetro A, contendo uma solução concentrada (açúcares) e um osmómetro B, contendo um solução pouco concentrada, ligados entre si por um tubo e se mergulharmos ambos os osmómetros em água, verificar-se-á que a água com solutos dissolvidos se deslocará do osmómetro A para o osmómetro B, enquanto a concentração de solutos nos dois osmómetros for diferente. A explicação para este movimento é o seguinte: A água entra no osmómetro A devido ao gradiente de potencial hídrico existente; a entrada de água faz aumentar o volume de solução e, por conseguinte, a pressão no osmómetro A; este aumento de pressão faz com que passe solução (água e solutos) do osmómetro A, ao longo do tubo de ligação, por fluxo em massa, para o osmómetro B. O aumento da pressão gerada no osmómetro B pela chegada de solução vinda do osmómetro A, faz com que haja saida de água do osmómetro B. Cria-se, assim, um movimento circulatório. Este movimento terminará quando a concentração de solutos for igual nos dois osmómetros. Se tivermos maneira de fornecer continuadamente solutos ao osmómetro A e de os retirar do osmómetro B, o movimento continuará ininterruptamente. Nas plantas ocorre um mecanismo semelhante (Fig. 4) Os elementos de tubo crivoso das fontes (folhas) correspondem ao osmómetro A; os elementos de tubo crivoso dos locais de consumo ou armazenamento dos solutos, correspondem ao osmómetro B; os tubos crivosos do floema que ligam essas regiões correspondem ao tubo de ligação dos dois osmómetros; por sua vez a água em que se encontram mergulhados os osmómetros corresponde à agua que banha as células e que é fornecida pelo xilema. Fig. 4 – Esquema representativo do mecanismo de funcionamento do fluxo de pressão nas plantas. Para que o modelo proposto por Munch funcione é preciso que sejam satisfeitas quatro condições: ♦ Tem que haver um gradiente osmótico entre os dois osmómetros; ♦ Têm que estar presentes membranas selectivamente permeáveis para que se estabeleça um gradiente de pressão; ♦ Tem que existir um tubo a estabelecer a comunicação entre os dois osmómetros; ♦ O meio envolvente tem que possuir um potencial hídrico superior ao do osmómetro com a solução mais concentrada (com o potencial hídrico mais negativo). Poderão estas condições ser verificadas? No que se refere à primeira condição, sim. De facto, os elementos de tubo crivoso associados com as células clorofilinas do mesófilo (onde os açúcares são produzidos) possuem, geralmente, concentrações de solutos orgânicos mais elevadas que os elementos de tubo crivoso associados com as células onde esses açúcares são consumidos. No freixo americano a concentração de solutos diminui de 0.01M por cada metro de tubo crivoso localizado entre a fonte e os centros de importação. Tem se verificado haver uma relação directa entre a intensidade do gradiente e a velocidade de transporte. Além disso sabe-se que o conteudo dos tubos crivosos se encontra sob pressão positiva como prova a saida de fluido quando se fazem incisões no floema do caule das plantas. Também é evidente que os elementos de tubo crivoso possuem membranas selectivamente permeáveis e que os tubos crivosos têm que estar vivos e apresentarem as membranas intactas para funcionarem. Também podemos dizer que a terceira condição se verifica, porque os poros das placas crivosas encontram-se desobstruidos e estabelecem uma via por onde os solutos podem circular sem grande resistência. Finalmente, podemos afirmar que a concentração de solutos nos tubos crivosos é 2, 3 ou mesmo mais vezes superior ao das células vizinhas. Deste modo, o movimento de solutos da fonte para os centros de importação nas plantas pode ser explicado da seguinte forma: A sacarose produzida numa fonte é carregada (transporte activo) para dentro dum tubo crivoso. Esta acumulação de solutos faz baixar o potencial hídrico de modo que a água entra para o tubo crivoso por osmose. A entrada de água nos elementos de tubo crivoso faz com que a parede desses elementos exerça pressão sobre a solução neles contida fazendo com que esta se desloque ao longo do tubo crivoso para uma zona (centro de importação ou sumidouro) onde a sacarose é descarregada. A remoção da sacarose dos elementos de tubo crivoso no centro de importação faz aumentar o seu potencial hídrico e isso obriga a água a sair desses elementos de tubo para as células vizinhas. Isto faz baixar a pressão hidrostática nesta extremidade do tubo crivoso, criando-se um gradiente de pressão entre os elementos de tubo crivoso da fonte e os elementos de tubo crivoso do sumidouro, sendo o movimento da solução accionada por esse gradiente. A sacarose descarregada é utilizada em actividades metabólicas ou armazenada numa forma osmoticamente inactiva , de modo que a água do centro de importação volta ao xilema sendo recirculada. Carga e descarga do floema A criação e manutenção de um gradiente de pressão nos tubos crivosos entre as regiões da fonte e do centro de importação (sumidouro) depende dos mecanismos de carga e descarga do floema, os quais transportam activamente sacarose (e outros solutos) para dentro dos tubos crivosos nas fontes e a removem dos tubos crivosos, nos centros de importação. Nestes processos de carga e descarga participam frequentemente células companheiras com características de transferência. Vejamos em que consistem aqueles processos. Carga A maior parte das células clorofilinas do mesófilo da folha (fontes) encontram-se afastadas das nervuras menores (feixes condutores) apenas alguns milímetros (2 a 4 camadas de células). Por isso, os açúcares produzidos nessas células têm que ser transportadas através das outras células de parênquima antes de poderem ser lançadas num tubo crivoso. O movimento de solutos entre células adjacentes de clorênquima é simpástico, sendo facilitado pela existência de numerosos plasmodesmos nessas células. Fig. 5 – Trajecto da sacarose desde as células do mesófilo até ao complexo célula compnheira- elemento de tubo crivoso. Contudo, raramente se observam plasmodesmos entre as células de clorênquima e as células companheiras ou os elementos de tubo crivoso. Esta ausência de conexões simplásticas entre as células do parênquima clorofilino e os tubos crivosos sugere que os açúcares têm que passar pelo apoplasto (paredes celulares) antes de serem transportados (activamente) para dentro dos tubos crivosos (Fig. 5). Esta hipótese baseia-se em vários tipos de observações designadamente: • Tem sido encontrada sacarose no apoplasto das folhas de várias espécies (Beta, Cucurbita, Vicia e Zea). • Quando se adiciona sacarose marcada ao apoplasto de uma folha esta acaba por ser incorporada nos tubos crivosos onde se desloca a uma velocidade comparavel com a sacarose com origem na fotossíntese. Da mesma forma, se uma folha que estiver a fotossintetisar numa atmosfera de 14CO2 for perfundida com uma solução de sacarose, recupera-se sacarose marcada na solução de lavagem. • A aplicação do reagente PCMBS (ac. Paracloromercuribenzenosulfónico) inibe o transporte a partir das folhas quer da sacarose endógena quer aplicada exogenamente, sem afectar a fotossíntese ou a respiração. Os açúcares presentes nas paredes celulares (apoplasto) são frequentemente transportados para dentro dos tubos crivosos através das células companheiras que possuem muitos plasmodesmos em conexão com os tubos crivosos e apresentam frequentemente características de células de transferência. A carga dos tubos crivosos a partir do apoplasto requer energia metabólica e é accionada indirectamente por um gradiente de protões criado pelo funcionamento duma H+-ATPase (bomba de protões) e da energia resultante da hidrólise do ATP. O processodeve consistir no seguinte (Fig. 6): Fig. 6 – Mecanismo do transporte de sacarose para dentro dos elementos de tubo crivoso ♦ Uma H+-ATPase, localisada na membrana plasmática dos elementos de tubo crivoso e das células companheiras, utiliza ATP para bombear protões para fora (apoplasto) da célula (elemento de tubo crivosos ou célula companheira). ♦ Esta bombagem de protões provoca a alcalinização do citoplasma e gera um gradiente de protões através da membrana, com um excesso de protões no apoplasto relativamente ao interior. A neutralidade eléctrica no citoplasma do tubo crivoso é mantida através da entrada de K+. ♦ Os protões em excesso difundem para dentro do tubo crivoso acoplados a um transportador proteico o qual transporta conjuntamente uma molécula de sacarose (simporte). Características do processo de carga O processo de carga do floema requer ATP. Isto é sugerido pelo facto de: 1) O ATP estar presente na seiva floémica; 2) O processo de carga ser inibido por inibidores das ATPases (dietilestielbestrol, diciclohexilcarbodiimida), respiratórios (cianeto), desacopladores (dinitrofenol) e, nalguns casos, por anoxia; 3) A adição de ATP estimular o processo de carga: e 4) O transporte se fazer contra um gradiente de concentração de sacarose Por sua vez, a bombagem de protões é comprovada pelo aumento de pH nos tubos crivosos (pH=8) durante o processo de carga simultâneo com uma diminuição do pH no apoplasto (pH=5.5). A relação entre a existência dum gradiente de protões e a carga do floema é atestada pelo facto de a utilização de tampões neutros inibir o processo de carga enquanto que a acidificação artificial do apoplasto ou o tratamento com a toxina fusicoccina, que estimula a actividade ATPásica, o promove. O processo de carga é selectivo: Nem todos os solutos são transportados para dentro do floema. A sacarose é o principal açúcar transportado para dentro dos tubos crivosos, enquanto que a glucose e outros açúcares redutores (frutose) não são transportados. Esta selectividade depende de transportadores especializados presentes nas membranas citoplasmáticas dos tubos crivosos e das células companheiras. Descarga A descarga de solutos dos elementos de tubo crivoso para as células dos centros de importação pode ser simplástico ou apoplástico, dependendo do tipo de sumidouro (Fig. 7). A libertação da sacarose dos tubos crivosos nos sumidouros depende da sua utilização ou compartimentalização. Caso contrário, a libertação da sacarose é equilibrada pela sua reincorporação nos tubos crivosos, o que resulta na paragem do transporte. A sacarose pode ser utilizada em processos de biossíntese ou na respiração (sumidouros consumidores) ou então na formação de substâncias de reserva como o amido (sumidouros de armazenamento). Nos casos em que as reservas são constituidas por sacarose (entrenós da cana de açúcar e raiz da beterraba açucareira) esta é acumulada nos vacúolos das células de parênquima por forma a que o gradiente de concentração se mantenha favorável à descarga dos tubos crivosos. Fig. 7 – Vias de descarga do floema totalmente simplástica (a) e apoplástica (b) Nos orgãos vegetativos, como sejam raizes e folhas jovens em desenvolvimento, a descarga é geralmente simplástica. Noutros centros de importação como orgãos de reserva (cana de açucar e beterraba açucareira) e sementes em desenvolvimento, a descarga é geralmente apoplástica. Nestes casos a sacarose é libertada para o apoplasto de onde é tomada para se acumular nas células de armazenamento. A forma como se faz esse transporte difere de espécie para espécie. Na cana de açúcar a sacarose é hidrolizada no apoplasto por acção da invertase ácida associada com a parede das células de reserva de onde as hexoses resultantes (glucose e frutose) são absorvidas para o citoplasma. No citoplasma a sacarose é ressintetisada e acumulada no vacúolo. No caso da beterraba açucareira a sacarose é absorvida do apoplasto ser se decompor e acumulada no vacúolo. Também nas sementes em desenvolvimento, onde não existe continuidade simplástica entre os tecidos da cobertura seminal e do embrião, a sacarose e outros nutrientes, são libertados para o apoplasto de onde são absorvidos pelo embrião. Também nestes casos se verificaram diferenças no processo de descarga de diferentes substâncias e na descarga da mesma substância em espécies diferentes. Estas observações foram conseguidas com recurso à técnica do óvulo vazio (ou cobertura seminal vazia). Esta técnica consiste em abrir uma “janela” na parede duma vagem de modo a expor os óvulos (Fig. 8). Destes retira-se cirurgicamente a metade oposta à sua ligação à placenta e dos eu interior remove-se o embrião. Fica, assim, uma cavidade para onde continuam a ser descarregados os nutrientes. Estes podem ser capturados por uma solução colocada nessa cavidade. Por este meio é possivel fazer vários tratamentos com inibidores, tampões e solutos, e ver qual a sua influência no mecanismo de descarga dos fotoassimilados. Fig. 8 – Ilustração da técnica do óvulo esvaziado para estudo do processo de descarga do floema em orgãos reprodutivos Deste modo verificou-se que na soja a sacarose é descarregada no apoplasto sem ser hidrolisada o mesmo acontecendo na cevada. Já no milho a sacarose é hidrolisada para hexoses durante o trajecto dos tubos crivosos para o apoplasto. Também na soja os ureidos que circulam nos tubos crivosos são metabolizados durante o trajecto desde os elementos de tubo crivos e o apoplasto seminal, onde são descarregados na forma de aminoácidos. Estes estudos também mostraram que, nalguns casos (ex. soja), a libertação da sacarose para o apoplasto requer energia metabólica enquanto que noutros casos (ex. milho) parece ocorrer por um processo passivo. Distribuição dos assimilados na planta Do carbono recem-fixado na folha, algum fica retido na fonte e o restante é distribuido pelos vários orgãos e tecidos não fotossintéticos. A regulação do padrão de distribuição de assimilados dentro da planta tem grande influência na produtividade das culturas. A distribuição dos fotoassimilados faz-se a dois niveis: alocação e partição. Alocação A alocação refere-se ao destino metabólico que o carbono recem assimilado segue quer na fonte, quer aquele que chega aos centros de importação (Fig. 9) Na fonte há três destinos principais que os fotoassimilados podem seguir: ♦ Assegurar o metabolismo da folha e a manutenção da biomassa folear ♦ Para armazenamento de curta duração ♦ Para exportação (transporte) para outras partes da planta. Fig. 9 – Esquema representativo dos processos de alocação e partição dos assimilados Metabolismo e biomassa celular Algum do carbono será alocado às necessidades metabólicas imediatas da folha. Estas necessidades incluem a manutenção da estrutura celular, síntese de biomassa adicional e manutenção do próprio aparelho fotossintético. A maior parte deste carbono é utilizado no metabolismo respiratório para fornecer energia e esqueletos carbonados necessários para a síntesse de novos compostos. Armazenamento Uma parte do carbono fixado é armazenado temporáriamente na folha para acorrer às necessidades da planta durante o período de escuridão, em que não se realiza fotossíntese. O carbono é armazenado essencialmente na forma de amido e, em menor quantidade, na forma de sacarose. Algumas monocotiledóneas (gramíneas) acumulam polímeros de frutose chamados fructanas. O carbono armazenado serve também para acudir às flutuações da fotossíntese e dos níveis de metabolitos de modo a manter um fornecimento mais ou menos contínuo e regular. Exportação Cerca de metade do carbono recem-fixado é alocado para transporte imediato para for a da folha, através do floema. Em muitas plantas, uma parte docarbono exportado pode ser armazenado ao longo do trajecto de translocação. A maior parte, contudo, atingirá os centros de importação (“sinks”) onde será novamente alocado. A regulação do processo de alocação é um processo complexo e mal conhecido que envolve a interacção de várias vias metabólicas. A alocação na fonte é, em grande parte, programada genèticamente, mas também depende do estado de desenvolvimento da folha. Assim, as folhas, de início, funcionam como centros de importação de assimilados e, mesmo quando atingem capacidade exportadora de assimilados, a proporção que é alocada para transporte varia, variando também a actividade de várias enzimas como a invertase ácida, a sacarose sintetase e a sacarose fosfato sintetase. O aumento da actividade desta última enzima pode ser um factor crítico na transição da folha de centro de importação para fonte de exportação. No centro de importação, os assimilados que lá chegam, são principalmente alocados às necessidades metabólicas do centro e ao armazenamento. Partição Partição consiste na distribuição dos assimilados destinados à exportação pelos diferentes centros de importação. Nas plantas em estado vegetativo, os principais centros de importação são o meristema e as folhas em desenvolvimento no ápice caulinar, as raizes e os restantes tecidos não fotossintéticos do caule. No início do desenvolvimento reprodutivo, as flores em desenvolvimento, os frutos e as sementes, constituem centros de importação adicionais. Em geral, os centros de importação competem entre si pelos assimilados disponiveis. A repartição dos assimilados pelos diferentes centros de importação depende principalmente de três factores: ♦ As conexões vasculares predominantes entre as fontes e os centros de importação; ♦ A proximidade entre o centro de importação e a fonte; ♦ A força do centro de importação. A translocação é facilitada pela existência de conexões vasculares directas entre a folha que funciona como fonte e o centro de importação. Um dos factores mais significativos na determinação da direcção de translocação é a força do centro de importação. A força do centro de importação é a medida da capacidade do centro acumular metabolitos e é dada pelo produto do tamanho do centro de importação pela sua actividade. O tamanho do centro de importação representa a massa total do centro (em peso seco). A actividade do centro representa a taxa de entrada de assimilados por unidade de peso seco e por unidade de tempo. A força dum centro de importação depende de vários factores como a taxa de descarga do floema, a taxa de incorporação e alocação dos assimilados pelo centro e, ainda, de factores ambientais (temperatura) e hormonais.