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NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS 350 aC – Aristóteles (Teoria Humística) 1563 – Palissy (Analisou cinzas de vegetais) 1652 – Helmont (Teoria da água como alimento único) Planta de 5 anos ganhou 82kg MS e vaso perdeu 180g 1766 – Woodward (Concluiu que água suja melhor que água pura para planta ~ Importância da terra) 1774 – Priestley (Plantas liberam oxigênio) - Scheele (Plantas também consomem oxigênio) 1776 – Ingenhousz (Plantas liberam e consomem O2) 1779 – Ingenhousz (Noções da essencialidade de nutrientes NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS 1804 – Saussure (Plantas obtinham C do CO2 atmosférico e demais nutrientes da água e do solo) 1840 – LIEBIG (A química agrícola e sua aplicação na agricultura e fisiologia). Postulou que N, P, K, Ca, Mg, S, Si, Na e Fe eram essenciais e obtidos do solo e C, H, O vêm da água e atmosfera. Lei do mínimo / Elemento limitante. 1826 – Sprengel (Refutou a teoria do húmus) 1828 – Sprengel (Lei do mínimo – 20 elementos essenciais) LEI DO MÍNIMO DE SPRENGEL-LIEBIG LEI DO MÍNIMO “O RENDIMENTO DE UMA SAFRA É LIMITADO PELA DEFICIÊNCIA DE QUALQUER UM DOS NUTRIENTES ESSENCIAIS, EMBORA TODOS OS OUTROS ESTEJAM PRESENTES E EM QUANTIDADES ADEQUADAS.” Justos Von Liebig CRITÉRIOS DA ESSENCIALIDADE • Presença e concentração no solo não servem como critério de sua essencialidade. • Critérios da essencialidade: • Vital para ciclo de vida • Função específica e não pode ser substituído • Participação direta no metabolismo ou metabólito • Elementos benéficos: Substituem parcialmente as funções menos específicas de um elemento essencial ou neutralizam efeitos químicos, físicos e biológicos desfavoráveis. • Si, Co, Na, Se e Al são essenciais a um número restrito de plantas – Elementos Benéficos CRITÉRIOS DA ESSENCIALIDADE • Macronutrientes – C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, S • Micronutrientes – B, Cl, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Zn MECANISMOS DE CONTATO RAIZ / SOLO • Mecanismos de movimento dos íons solo / raiz • Fluxo em massa: movimento motivado pela absorção de água pelas raízes. Ca-Mg-N-S • Interceptação radicular: Contato resultante do cresc. radicular, independente do movimento dos íons no solo. • Difusão: movimento de íons que ocorre quando os dois anteriores não suprem as necessidades das plantas, formando assim um gradiente de concentração próximo à rizosfera. K-P e Micronutrientes • Importância relativa de cada mecanismo envolve: Tipo de íon; genótipo; densidade de raízes; fluxo de água na planta. MECANISMOS DE CONTATO RAIZ / SOLO • Exemplo do milho (9.500 kg ha-1 grãos) • Interceptação radicular (N=1%; Ca=29%) • Fluxo em massa (P=5%; Ca=71%; N=79%; Mg=87%; S=98%) • Difusão (N=20%; P=93%) • Elemento bio ou fitodisponível: • Forma iônica • Móvel no solo Nutrientes muito móveis na solução de solo tendem a chegar até as raízes por fluxo de massa. Um exemplo é NO3-, o qual é repelido pelas cargas negativas do solo e por isso tende a se manter solúvel. Por outro lado, o PO43- tende a se ligar a cátions como Fe2+, Fe3+ e Al3+, os quais possuem OH- que é deslocado pelo PO43-. Em conseqüência, o fosfato tende a ser imobilizado pelo solo e tem dificuldade de ser arrastado pelo fluxo de massa. O fosfato chega até as raízes predominantemente por difusão. A transpiração é importante para os nutrientes que entram em contato com a raiz principalmente por fluxo de massa (nitrogênio, enxofre, magnésio e cálcio). Por outro lado, o tamanho do sistema radicular é muito importante para a absorção de elementos que entram em contato com a raiz por difusão (fósforo e potássio) e interceptação radicular (cálcio). A força motriz para a ascensão dos elementos pode ser a transpiração ou a gutação No xilema os elementos são transportados por fluxo de massa sendo que a força motriz é a tensão gerada pela transpiração ou, alternativamente, a pressão de raiz durante o processo de gutação. Como a força motriz normalmente é a transpiração, os nutrientes tendem a se acumular nos órgãos que transpiram mais, como as folhas maduras, em detrimento dos brotos novos e frutos. Para corrigir isso, os vegetais redistribuem os nutrientes de um órgão para outro através do floema no sentido da fonte (órgãos maduros) para os drenos (órgãos em crescimento). Alguns nutrientes são móveis no floema (nitrogênio, fósforo, potássio e magnésio) e outros são pouco móveis (cálcio, enxofre, boro e ferro). Como os frutos são drenos que recebem nutrientes primordialmente através da redistribuição via floema, eles têm dificuldade de acumular nutrientes pouco móveis. A força motriz para a ascensão dos elementos pode ser a transpiração ou a gutação Em condições em que a transpiração é desfavorecida (ambiente úmido e frio) e predomina a pressão positiva no xilema (gutação), há mais chances dos nutrientes chegarem até os órgãos que transpiram pouco, sendo mais relevante ainda no caso de nutrientes pouco móveis no floema. A exemplo disso, um distúrbio fisiológico comum em fruto de tomateiro é a chamada podridão estilar, devido à deficiência de cálcio. É notável que em períodos chuvosos (baixa transpiração) há menos ocorrência de podridão estilar em tomateiro. Os nutrientes atravessam a membrana celular com a ajuda de proteínas transportadoras A região do canal que determina a especificidade é denominada filtro de seletividade. O mecanismo do filtro de seletividade dos canais parece ser regulado pela presença de aminoácidos básicos (lisina, arginina e histidina, os quais possuem carga positiva conferida por um NH3 extra). De acordo com a voltagem da membrana, os aminoácidos básicos podem estar carregados ou não. A presença de cargas nos resíduos de aminoácidos confere repulsão, abrindo o canal. Os nutrientes atravessam a membrana celular com a ajuda de proteínas transportadoras Os canais transportam íons pela simples abertura de um poro. Um canal aberto pode permitir a passagem de 108 íons/s. O que determina a especificidade de um canal é o tamanho de seu poro e a densidade da superfície carregada em seu interior. Os canais são limitados a íons ou água. O transporte por carreadores pode ser tanto ativo quanto passivo. Como uma mudança conformacional na proteína é necessária para transportar moléculas ou íons individuais, a taxa de transporte por um carreador é muitas vezes mais lenta que um canal, sendo da ordem de 102 - 106 íons/s. Os nutrientes atravessam a membrana celular com a ajuda de proteínas transportadoras As bombas são proteínas que gastam ATP diretamente para transportar solutos e por isso também são denominadas ATPases. Nas plantas existem dois tipos de bombas, as de cálcio e as de prótons. As bombas de prótons gastam ATP para jogar prótons fora da célula (bomba da plasmalema) ou dentro do vacúolo (bomba do tonoplasto). Devido à atividade das ATPases da plasmalema e do vacúolo, o pH do vacúolo é tipicamente 5,5 e do citoplasma é 7,0 a 7,5. Os nutrientes atravessam a membrana celular com a ajuda de proteínas transportadoras Até o momento sabemos que os canais estão envolvidos no transporte de K+, Cl-, Ca2+, e água. Existem carreadores para NO3-, PO43-, K+, Na+, Ca2+, Mg2+ e metais pesados. Os carreadores de Na+ e metais pesados são utilizados não para a entrada desses elementos, mas para isolá-los do citoplasma jogando-os no vacúolo ou fora da célula (apoplasto). O cálcio, apesar de ser um nutriente importante para as plantas, precisa ser mantido em baixas concentrações no citoplasma, pois é um sinalizador celular. Os nutrientes atravessam a membrana celular com a ajuda de proteínas transportadorasDesse modo, a bomba de Ca2+ é utilizada para retirar Ca2+ do citoplasma jogando-o no apoplasto e o carreador de cálcio joga esse elemento no vacúolo. Contudo, existem canais de cálcio responsáveis pela entrada desse elemento no citoplasma vindo do meio externo ou do vacúolo. Os nutrientes atravessam a membrana celular com a ajuda de proteínas transportadoras Os mecanismos envolvidos na absorção de alguns micronutrientes são um pouco mais específicos do que até agora foi exposto. Em solos com pH elevado, nutrientes como Fe, Zn, Mn e Cu costumam ficar imobilizados na forma de hidróxidos. Muitas dicotiledôneas exudam compostos fenólicos em suas raízes para quelatar e solubilizar o ferro presente na solução de solo. Normalmente as plantas absorvem ferro na forma reduzida e por isso o Fe3+ é reduzido a Fe2+ quando ele é liberado pelo quelato na superfície da raiz. Os nutrientes atravessam a membrana celular com a ajuda de proteínas transportadoras Dentro da planta o Fe pode ser quelado novamente pelo citrato quando ele é transportado a longas distâncias no xilema. Nas dicotiledôneas, tanto a exudação de compostos fenólicos (quelatos) quanto à atividade das redutases, que reduzem o Fe3+, são induzidas pela atividade da H+-ATPase. Mutantes de soja defectivos para produção da redutase de Fe3+ exibem sintomas de deficiência de ferro mesmo com suprimento adequado desse nutriente. Mecanismo para absorção de ferro presente em dicotiledôneas (estratégia I). Nas dicotiledôneas, a H+-ATPase induz a exudação de compostos fenólicos (quelatos) e a atividade das redutases (R). Os quelatos tornam o Fe3+ solúvel, facilitando sua chegada até as raízes onde ele é reduzido a Fe2+, sendo então absorvido. Nos vegetais o transporte ativo é realizado por carreadores e bombas e o transporte passivo é realizado por canais. Contudo, mesmo o transporte por canais é conduzido pela H+-ATPase, pois a difusão de K+ necessita de um potencial de membrana negativo o qual é mantido pela H+-ATPase. Um transportador de K+ pode transportar Rb+ e Na+, além do K+, mas há uma preferência por K+. Resumo dos tipos de transporte e da atividade dos carreadores, canais e bombas. Modificado de Taiz & Zeiger (1998). Substâncias apolares (CO2) permeiam a membrana livremente. Como a célula vegetal possui um potencial transmembrana negativo, cátions (K+) podem ser transportados por canais, mas os ânions (NO3-) precisam ser transportados por carreadores. O transporte com carreadores utiliza a energia que foi gasta anteriormente pela bomba para criar um gradiente de prótons. Do mesmo modo, a saída de cátions pela bomba para criar um gradiente de prótons. Do mesmo modo, a saída de cátions (Na+) da célula também precisa ser realizada com gasto de energia pelos carreadores. Há evidências de que o Na+ é isolado no vacúolo por um antiporte com H+ e que Cl-, NO3- e H2PO4-, sacarose, aminoácidos entram na célula pelo simporte com H+. Uma conseqüência prática do simporte entre NO3- e H+ é que a grande absorção de NO3- pelas raízes tende a aumentar o pH do apoplasto. Isso é comum no cultivo em solução nutritiva (hidroponia), onde há uma tendência à alcalinização da solução e conseqüente precipitação de micronutrientes. Uma maneira de se evitar esse efeito é fazer formulações de soluções nutritivas contendo tanto NO3- quanto NH4+. Absorção de N e K ao longo do ciclo de vida do tomateiro (Lycopersicon esculentum cv Santa Clara). O máximo de nutrientes absorvidos ocorre por volta de 48 e 60 dias após plantio, época de floração e frutificação (A). Esse pico de absorção em períodos específicos do ciclo de vida fornece evidências de que as plantas têm um controle das taxas de absorção de nutrientes, provavelmente devido à atividade de canais e carreadores. Com isso, a adubação precisa ser feita no começo do ciclo e intensificada no início do período reprodutivo, pois a somatória dessas fases representa mais de 70% do total de nutrientes absorvidos (B). Dados extraídos de Fayad et al. (2002). FORMAS IÔNICAS PREFERENCIAIS DE ABSORÇÃO A disponibilidade de cada nutriente, macro ou micro, está diretamente relacionada com pH (potencial de Hidrogênio). E o pH é tão variável, quanto se apresenta a natureza da rocha mãe. Pôr exemplo, solos de origem granítica são ácidos, solos calcários são básicos. Portanto, considerando a escala de 0 a 14. teremos: De 0 a 7 - Solo ácido, quanto mais o pH se aproximar de 0. De 7 - O solo é neutro. De 7 a 14 - O solo é básico, quanto mais o pH se aproximar de 14 (alcalino). MACRONUTRIENTES x pH pH NUTRIENTES 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 NITROGÊNIO 20 50 75 100 100 100 FÓSFORO 30 32 40 50 100 100 POTÁSSIO 30 35 70 90 100 100 ENXOFRE 40 80 100 100 100 100 CÁLCIO 20 40 50 67 83 100 MAGNÉSIO 20 40 50 70 80 100 Adaptações que auxiliam na absorção pelas plantas Adaptações que auxiliam na absorção pelas plantas ABSORÇÃO IÔNICA PELAS CÉLULAS DAS RAÍZES • Características gerais • Seletividade • Acúmulo contra gradiente de concentração • Variabilidade de germoplasma • Caminho dos solutos nas raízes • Apoplasto: Solutos de baixo peso molecular • Não metabólico / Passivo • Fluxo em massa / Difusão • Simplasto CAVITAÇÃO ABSORÇÃO IÔNICA PELAS CÉLULAS DAS RAÍZES • Microporos: carregados negativamente (R-COO-) Retém cátions (CTC) e repele ânions – ELD • Macroporos: ELágua – Movimento de água e solutos • ELA = ELágua + ELD • Qto maior a valência do íon, maior adsorção (Ca2+ / K+) e Al (mono, bi ou polivalente) / Mg2+) • Zn2+, Cu2+, Mn2+ e Fe2+ x Formas com quelantes Fe-EDTA • Microporos funciona como reservatório, podendo apresentar relação (tamanho) com deficiência de micronut. COMPLEXIDADE DO DIAGNÓSTICO EM CAMPO 1. Deficiências simultâneas 2. Excesso de um elemento pode causar deficiência de outro 3. Doenças virais podem simular algumas deficiências nutricionais Sintomas Elementos móveis Folhas velhas Elementos imóveis Folhas jovens Nitrogênio Plantas deficientes apresentam pequeno porte e menor núme- ros de ramos que são mais finos e com tendência para crescimento vertical. O sintoma característico é o amareleci- mento generalizado das folhas por falta da clorofila, iniciando nas mais velhas. Absorção – o nitrogênio pode ser absorvido do meio em diferentes formas; N2, através das bactéria fixadoras de nitrogênio (ex. leguminosas); na forma mineral como NO3- e NH4+ e como uréia. A forma predominante que a planta absorve, em condições naturais é a do nitrato devido ao processo de nitrificação no solo. Transporte – a forma do N que é transportado via xilema varia em função da forma do N absorvido pelo sistema radicular, e do tipo de metabolismo da raiz (NO3- ou Orgânica). Nas plantas fixadoras do N2 atmosférico, o transporte do nitrogênio fixado no sistema radicular é transportado principalmente como ureídeos (alantoína e ácido alantóico) e em menor proporção como glutamina e asparagina Fósforo Plantas deficientes acumulam açúcar nos tecidos e, a partir deste, sintetizam as antocianinas que conferem coloração mais escura às folhas. Então, o sintoma inicial de deficiência de fósforo no maracujazeiro é o aparecimento desta coloração nas folhas mais velhas que evolui rapidamente para a cor amarelada que é progressiva da margem para o centro das folhas. Por falta de energia (ATP) as plantas apresentam pequeno desenvolvi- mento e atraso no ciclo, prejudicando a floração e provocando queda de frutos novos. Fósforo Absorção – a forma do fósforo que é absorvida dependepredominantemente da faixa de pH do meio (solo). Na faixa de pH entre 2 e 7, predomina a forma H2PO4-, forma esta absorvida pelo sistema radicular das plantas. A forma HP04-2 predomina em solos com pH na faixa de 7 a 12 (alcalinos), entretanto, a absorção é menos rápida se comparada a primeira citada. A presença de magnésio no meio favorece a absorção de fósforo (efeito sinérgico). Transporte – a forma que o fósforo é transportado via xilema é basicamente a mesma da absorção, ou seja, como H2PO4-. Fósforo como reserva As sementes e frutas podem armazenar o fósforo na forma de fitato. Os fitatos são sais do ácido fítico (mioinositol do ácido hexafosfórico) . Quando sais de cálcio e magnésio ligam-se no ácido fítico, tem-se a fitina. Os fitatos contendo fósforo representam cerca de 50% do P total em leguminosas e 60-70% em grãos de cereais. Potássio Na deficiência ocorre clorose seguida de necrose nas margens das folhas, inicialmente nas folhas mais velhas. Quando a necrose atinge as nervuras das folhas, esta se curva para baixo, ocorrendo em seguida sua queda prematura. A floração atrasa e o tamanho dos frutos diminui. Ocorre ainda, redução significativa da área verde foliar, afetando a fotossíntese e, por conseguinte, o teor de sólidos solúveis dos frutos. POTÁSSIO Absorção – a absorção do potássio é altamente seletiva e está intimamente acoplado a atividade metabólica. Este elemento no solo aparece na forma iônica (K+), sendo esta a forma absorvida pelas raízes das plantas. Como o potássio é um íon monovalente, ao competir com elevadas concentrações de cátions divalentes como o Ca++ e o Mg++ sofre inibição competitiva, ou seja, compete com desvantagem pelo mesmo sítio de absorção. Entretanto baixas concentrações de cálcio contribuem para sua absorção (efeito sinergístico). Transporte – o potássio é transportado como K+, ou seja, na mesma forma que é absorvido do solo. POTÁSSIO • Síntese de proteínas O K é mais requerido para a síntese de proteína do que para a ativação enzimática. É provável que o K esteja envolvido em vários passos no processo de tradução, incluindo a ligação do tRNA aos ribossomos. Assim, a deficiência de K nas plantas, em redução na síntese de proteínas. POTÁSSIO – PROCESSOS FOTOSSINTÉTICOS O K estimula a taxa de fixação do CO2. Além do controle da abertura e fechamento estomático. POTÁSSIO O potássio vacuolar possui importante função na expansão celular e outros processos que dirigem o turgor celular. • Ativação enzimática Um grande número de enzimas são completamente dependente ou estimulada por K. Em plantas deficientes de K, ocorrem algumas alterações químicas, incluindo acumulação de carboidratos solúveis, decréscimo no conteúdo de amido e o acúmulo de compostos nitrogenados solúveis. Estas alterações no metabolismo está relacionado ao alto requerimento de certas enzimas regulatórias, principalmente a piruvato cinase e a fosfofrutocinase. Por sua vez a sintetase do amido é altamente dependente em cátions monovalentes, entre os quais o K é o mais eficiente. Esta enzima catalisa a transferência da glicose para as moléculas do amido. Cálcio Os sintomas de deficiência de cálcio são: morte da gema apical, clorose e necrose internervais nas folhas mais novas, uma vez que o elemento tem baixa mobilidade na planta. Cálcio A exigência de Ca varia grandemente nas diferentes espécies, e pode variar de 10 até 200 kg ha-1. As dicotiledôneas de modo geral, são mais exigentes em cálcio do que as mono- cotiledôneas. O conteúdo de Ca nas plantas varia entre 0,1 a 5,0% do peso seco dependendo das condições de crescimento. Absorção – o cálcio é absorvido do meio (solução do solo) na forma divalente (Ca2+), e a maior parte dos solos possuem quantidade adequadas deste elemento (maiores que as de K). O cálcio possui baixa mobilidade no solo e na planta, desta forma, a região de absorção se resume apenas nas extremidades das radicelas, local ainda nada ou pouco suberizadas (estrias de caspari). A presença de outros cátions (K+, Mg2+ e NH4+) diminuem a absorção do Ca. Transporte – o cálcio é transportado via xilema também na forma divalente (Ca2+). Ascende no xilema às custas de reações de troca no xilema devido a superfície da parede celular do xilema possuir cargas predominantemente negativas. Assim, o cálcio para ascender no xilema deve ser deslocado dos sítios de troca por outros cátions ou por ele mesmo. Cálcio É comum observar-se sintomas de deficiência de Ca (rachadura da casca) em frutos de maçã (“bitter pit”), de tomate (podridão apical), melancia e outros. Isto ocorre porque o Ca é direcionado do solo para os locais de maior demanda transpiratória nas plantas que é no caso as folhas. Como os frutos e partes novas possuem pequena superfície transpiratória e o Ca no floema não é redistribuído, acaba por acarretar deficiência deste elemento nestes órgãos da planta. Para sanar este problema os produtores fazem pulverizações a base de cálcio (CaCl2) diretamente nos frutos, principalmente nas fases críticas de crescimento, reduzindo ou evitando assim, problemas de deficiência do elemento Magnésio Com a deficiência de magnésio aparecem inicialmente manchas amareladas entre as nervuras das folhas mais velhas, que se unem e evoluem para coloração mais escura até o marrom, enquanto as nervuras permanecem verdes. Ressalta-se que a deficiência de Mg, no maracujazeiro, pode ser induzida por excesso de adubação potássica, como já tem sido verificada em diversas culturas. Uma grande proporção do magnésio total está envolvido na regulação do pH celular e no balanço cátion-ânion. Nas folhas a principal função do magnésio, é certamente como átomo central da molécula de clorofila. Dependendo do “status” de magnésio na planta, entre 6 a 25 % do magnésio total está ligado a molécula de clorofila. Como uma regra, outros 5 a 10% do magnésio total nas folhas está firmemente ligados a pectatos na parede celular ou precipitado como sal solúvel no vacúolo (como fosfato), e o restante 60 a 90% é extraível em água. Absorção – a absorção do magnésio da solução do solo é feita na forma de Mg2+. Sua absorção é reduzida em altas concentrações de cátions como o Ca2+, K+ e NH4+. Estes cátions concorrem pelo mesmo sítio ativo de absorção (inibição competitiva). Transporte – o Mg é transportado na seiva xilemática na mesma forma absorvida, ou seja, como Mg2+. Redistriduição – embora o Mg seja um íon divalente como o cálcio, é bastante móvel no floema. Assim, no caso de plantas deficientes, os sintomas iniciais aparecem predominantemente nas folhas velhas. • Clorofila A inserção do magnésio dentro da estrutura porfirínica como o primeiro passo da biossíntese de clorofila . • Síntese protéica O magnésio tem uma função essencial como um elemento de ligação para a agregação das subunidades do ribossomo, processo este necessário para a síntese de proteína, atividade da RNA polimerase e formação do RNA do núcleo. • Ativação enzimática, fosforilação e fotossíntese Muitas enzimas e reações enzimáticas requerem ou são fortemente promovidos pelo magnésio, por exemplo, a PEP-carboxilase. Para esta última enzima na presença de magnésio, o substrato PEP é ligado em maior quantidade e mais firmemente. A maioria das reações dependentes de magnésio podem ser categorizadas pelo tipo de reação, como a transferência de fosfato ( ex. fosfatases e ATPases, ou de grupos carboxil (ex. carboxilases). • Ativação enzimática, fosforilação e fotossíntese A síntese de ATP (fosforilação: ADP + Pi ! ATP) tem um requerimento absoluto pelo magnésio como um componente de ligação entre oADP e a enzima. Enxofre Os sintomas gerais de deficiência de enxofre são semelhantes ao nitrogênio, diferindo porém, quanto à localização. No caso do enxofre o amarelecimento ocorre, inicialmente, nas folhas mais novas (baixa mobilidade) e para o nitrogênio nas folhas mais velhas (alta mobilidade). A deficiência de enxofre pode induzir, ainda, coloração avermelhada nas nervuras da página inferior das folhas. A redução é necessária para a incorporação do enxofre em aminoácidos, proteínas e coenzimas. Nas folhas verdes a ferredoxina é o redutor do sulfato. Diferente-mente do nitrato, o sulfato pode também ser utilizado sem a redução e incorporação em estruturas orgânicas tais como, sulfolipídios nas membranas Absorção - Em condições aeróbicas do solo, a forma comum é a do sulfato (SO42-), e é essa forma absorvida pelas raízes das plantas. Além do sulfato, a planta pode absorver aminoácidos contendo enxofre como é o caso da cisteína e da metionina. O Cl e o SiO2 competem pelo mesmo sítio de absorção no sistema radicular. Transporte – o transporte de enxofre no xilema é predominantemente na forma de SO42-, embora dependa da proporção de enxofre reduzido e/ou assimilado no sistema radicular. Redistribuição – embora o enxofre pertence a classe dos nutrientes de alta mobilidade na planta, ele é na verdade pouco redistribuído. A sua redistribuição está condicionada ao ‘status” da nutrição nitrogenada da planta. Redução e assimilação do sulfato (SO42-) – nos compostos orgânicos (principal forma de enxofre nas plantas) o enxofre aparece na forma reduzida. Como o S absorvido pelas raízes está na forma oxidada (SO42-), este ânion divalente deve sofrer uma etapa de redução e/ou assimilação como é o caso do nitrato. Adenosina FosfoSulfato (APS) Funções metabólicas do enxofre - o enxofre é um constituinte dos aminoácidos cisteína e metionina e consequentemente de proteínas. Ambos os aminoácidos são precursores de outros compostos contendo enxofre tais como, coenzimas e produtos secundários da planta. O S faz parte também de constituintes estruturais de muitas coenzimas e grupos prostéticos tais como a ferredoxina, biotina (vitamina H) e a tiamina pirofosfato (vitamina B1) Na rota glicolítica por exemplo, a descarboxilação do piruvato e a formação do acetil coenzima A são catalisadas por um complexo multienzimático envolvendo três coenzimas contendo enxofre: tiamina pirofosfato (TPP), ácido lipóico (sistema redox) e um grupo sulfuril de coenzima A: Ferro O ferro tem importância na síntese de clorofila, sendo o sintoma típico de sua deficiência a presença do verde muito claro na lâmina foliar, com permanência de estreita faixa verde ao redor das nervuras, inicialmente nas folhas novas. Acentuando-se a deficiência, a clorose atinge as folhas do terço médio dos ramos e também as nervuras, de forma que toda a lâmina foliar adquira coloração amarelo-esbranquiçada. Ferro Em sistemas aerados mantidos na faixa do pH fisiológico, a concentração de Fe3+ e Fe2+ está abaixo de 10-15 M. No solo a forma predominante de Fe solúvel se encontra como quelatos de Fe3+ e ocasionalmente Fe2+. O Fe, como um elemento de transição, é caracterizado pela relativa facilidade pela qual altera seu estado de oxidação, Fe3+ Fe2+ A alta afinidade do Fe por vários ligantes (ex. ácidos orgânicos e fosfato inorgânico), é importante para o transporte a curta distância nas plantas. Ferro Absorção - as formas Fe2+ , Fe3+ ou com quelado (complexado) predominam na solução do solo. Nos sistemas arejados e no pH fisiológico o Fe provavelmente encontra-se na forma de quelato-Fe3+. A forma trivalente (Fe3+) possui grande resistência para atravessar a membrana plasmática. Assim, a principal forma absorvida e utilizada no metabolismo da planta e a ferrosa (Fe2+). Para isso o elemento que se encontra no solo na forma trivalente (Fe3+) deve ser reduzida a forma divalente (Fe2+). Absorção - O Fe3+ é normalmente reduzido a Fe2+ na membrana plasmática pela doação de elétrons ao Fe3+ transformando-o em Fe2+, facilitando assim a absorção deste elemento. As gramíneas utilizam estratégias de absorção diferentes das não-gramíneas. Observa-se na prática que quando as plantas estão sob deficiência de Fe, excretam substâncias capazes de reduzir o Fe3+ para Fe2+ facilitando sobremaneira a absorção pelos motivos já citados. Altas concentrações de cátions, principalmente Mn (solos ácidos) podem inibir competitivamente a absorção de Fe, com subsequente aparecimento de sintomas de deficiência nas plantas. Transporte – o Fe é transportado via xilema para a parte aérea na forma complexada com ácido cítrico (Fe3+-citrato). Redistribuição – o Fe possui pouca mobilidade na planta. Desta forma é comum no caso de deficiência do elemento, o aparecimento de sintomas inicialmente nas folhas novas, progredindo para a toda planta dependendo da severidade da deficiência. Nas folhas verdes, 80% do Fe está localizado nos cloroplastos na forma de fitoferretina, servindo como reserva no estroma dos cloroplastos. Funções • Como constituinte de vários sistemas redox O Fe possui grande capacidade redox (Fe3+ Fe2+) o que o torna importante nos processos de oxirredução no metabolismo da planta. Participa na reação de uma grande quantidade de enzimas. Faz parte como hemoproteína de enzimas importantes como: - Citocromos – importante na transferência de elétrons na respiração e na fotossíntese. -Catalase – faz a transformação (dismutase) do peróxido de hidrogênio (H202), tóxico as plantas, em água e oxigênio. Reação: 2H2O → 2 H2O + O2 Funções - Peroxidases - a exemplo da catalase transforma compostos tóxicos em água. Reação: XH2 + H202→ X + 2H20 - Leghemoglobina – encontrada principalmente nos nódulos de leguminosas, possui importante papel em manter baixas tensões de oxigênio próximo a enzima Nitrogenase, evitando assim a inibição de sua atividade (O2 + 2H2 + e-→ H20) As hemoproteínas nada mais são do que enzimas que apresentam o grupo heme (complexo Fe-porfirina) como grupo prostético. Além da hemoproteínas, o Fe faz parte de proteínas contendo enxofre chamadas proteínas Fe-S, as quais são importantíssimas no metabolismo da planta. Um exemplo importante deste grupo é a ferredoxina, que catalisa a transferência de elétrons em um grande número de processos metabólicos, como na fotossíntese, na fixação biológica do N2, na redução, do sulfato e na redutase do nitrato (N03-→ N02-). - Síntese de clorofila e de proteína Como regra, a deficiência de Fe tem muito menos efeito no crescimento da folha, números de células por unidade de área ou no número de cloroplastos por célula do que no tamanho do cloroplasto e conteúdo de proteína. Somente com a deficiência severa de Fe há inibição da divisão celular, e consequentemente redução no crescimento foliar. O Fe é requerido na síntese protéica e o número de ribossomos é reduzido nas células das folhas deficientes em Fe. A deficiência afeta mais a síntese de proteína no cloroplasto do que no citoplasma. - Síntese de clorofila e de proteína O alto requerimento de Fe para manter a integridade funcional e estrutural da membrana do tilacóide, o adicional requerimento deste elemento para a ferredoxina e na biossíntese de clorofila, explica a alta sensibilidade dos cloroplastos e dos tilacóides a deficiência de Fe. Estrutura fina de cloroplastos em plantas de soja suficientes (esq) e deficientes em ferro (dir). (MARSCHNER, 1997) Manganês Na deficiência de manganês, aparecem manchas cloróticas entre as nervuras das folhas superiores, permanecendo as nervuras, e uma parte dotecido ao redor delas, com coloração verde, dando aspecto de reticulado grosso de nervuras. Acentuando-se a deficiência, a clorose se generaliza e aparecem pontos necróticos no limbo. O Mn pode existir em vários estados de oxidação. No solo as principais são Mn2+ e Mn3+ e está em grande parte (90%) complexado à compostos orgânicos. A sua disponibilidade no solo aumenta com a acidez devido a maior solubilidade dos compostos contendo Mn, e diminui com o decréscimo do potencial de oxirredução do solo, como por exemplo em alagamento, onde ocorre a solubilização de óxidos de Mn, podendo causar toxicidade as plantas. Absorção – o manganês é absorvido pelo sistema radicular na forma divalente (Mn2+), provavelmente com gasto de energia metabólica, portanto, ativamente. A absorção do Mn é inibida competitiva- mente na presença de altas concentrações de cátions. Transporte – o transporte do manganês via xilema ocorre na mesma forma que é absorvida (Mn2+). Redistribuição – recentes publicações colocam o Mn como um elemento de baixa mobilidade, como é o caso do Ca. Os sintomas de deficiência do elemento ocorre primeiro nas folhas mais novas. Funções Suas funções bioquímicas assemelham-se às do Mg. - Fotoxidação da água Juntamente com o Cl o Mn desempenha função essencial na fotoxidação da água dentro do lúmen do cloroplasto durante a fase fotoquímica da FS. Funções A deficiência de Mn na planta reduz o fluxo de elétrons do fotossistema II (FS II) para o fotossistema I (FS I ), ocasionando como conseqüência a redução na produção de compostos redutores (ATP e NADPH) que seriam utilizados na fixação de CO2 na fase bioquímica. Com a redução da produção de ferredoxina, além da fase bioquímica da fotossíntese, outros processos relacionados com esta proteína são drasticamente prejudicados, como por exemplo a redução do nitrato e do sulfato. Ativador enzimático O Mn é o grupo prostético de várias isoformas de Superóxido Dismutase (SOD) que protegem os cloroplastos dos efeitos danosos dos superóxidos, como demostrado abaixo, gerados durante a fotossíntese e outros processos metabólicos. As reações mais comuns podem ser observadas abaixo: Como ativador metálico o Mn possui importante papel nas enzimas málica e na desidrogenase do isocitrato. - Sintese de Proteína O Mn ativa a Polimerase do RNA, e é constituinte estrutural dos ribossomos. Assim, a deficiência deste elemento na planta vai ter efeito negativo na síntese de proteínas e na multiplicação celular. - Metabolismo de fenóis O Mn é requerido em vários passos na biossíntese de lignina. Plantas deficientes deste elemento principalmente no sistema radicular, é um importante fator da baixa resistência das raízes a agentes patogênicos. - Alongamento e divisão celular A inibição do crescimento radicular em plantas deficientes em Mn é causado pela falta de carboidratos bem como pelo requerimento direto para o crescimento. Na deficiência de Mn o alongamento é mais afetado do que a divisão celular. Cobre Com a deficiência deste nutriente as células terão paredes mais delgadas e, por isso, as folhas serão mais finas e apresentarão aspecto de murchamento. É comum, também, o aparecimento de folhas grandes e largas, mais finas e com nervuras salientes. O cobre se encontra no solo basicamente na forma divalente (Cu2+) e possui grande capacidade de ligar- se a ácidos húmico e fúlvico. Mais de 98% do cobre na solução do solo está complexado como quelato com compostos orgânicos como aminoácidos, compostos fenólicos e outros quelantes. O cobre participa de várias reações de oxirredução (Cu2+ Cu+), sendo o Cu+ muito instável. Absorção – as raízes das plantas absorvem o cobre na forma divalente (Cu2+). Transporte – mais de 99% do Cu na seiva xilemática é transportado complexado com aminoácidos e até proteínas (quelado). Redistribuição – a redistribuição do cobre via floema é baixa, mas depende da quantidade do elemento no tecido. Plantas bem supridas com cobre redistribuem com maior facilidade do que plantas com deficiência deste elemento. Neste último caso, os sintomas de deficiência aparecem primeiro nas folhas novas. Funções - Contituinte de molécuas de proteína Três diferentes formas de proteínas existem na qual o Cu é o componente metálico (Cu-proteína); A citocromo oxidase é uma proteína que contém ferro e cobre e catalisa a oxidação terminal na cadeia transportadora de elétrons na mitocôndria. Plantas deficientes em cobre possui a taxa fotossintética reduzida por vários motivos. Mais de 50% do Cu localizado nos cloroplastos estão ligados a plastocianina, que faz a transferência dos elétrons do citocromo b6/f para o fotossistema I na fase fotoquímica da fotossíntese. - Nodulação e fixação de nitrogênio No processo de fixação biológica de nitrogênio, os rizóbios necesitam de carboidratos para que ocorrea o processo simbiótico. Como a deficiência de Cu, reduz o suprimento de carboidratos para as raízes, há o comprometimento tanto da nodulação como da fixação do nitrogênio. Há necessidade de Cu para a síntese de leghemoglobina e atividade do citocromo oxidase na respiração do bacterióide. - Lignificação das paredes celulares A redução na lignificação da parece celular é a mais típica alteração anatômica induzida por deficiência de Cu em plantas superiores. Este efeito na lignificação é mais distinto nas células esclerenquimáticas do tecido do colmo Seção do colmo de girassol crescido com suprimento suficiente de Cu (50 µg Cu L-1) e sem suprimento de Cu. (Acima) Suficiente em Cu; as células da paredes estão grossas e lignificadas. (Abaixo) Deficientes em Cu; as células do esclerênquima são finas e não lignificadas. MARSCHNER (1997). - Formação de pólen e fertilização A deficiência de Cu afeta mais a formação de grãos, sementes e frutos do que o crescimento vegetativo propriamente dito. A principal razão do decréscimo na formação de órgãos gerativos é a formação de pólens não viáveis em plantas deficientes em Cu. O estádio crítico da deficiência de Cu induzindo a esterilidade do pólen é na macrosporogênese. A alteração em plantas deficientes é também refletido na falta de reserva de amido no grão de pólen. Assim, o adequado suprimento de Cu é importante para garantir a fertilizacão e consequentemente a produção final de frutos e sementes. Zinco A deficiência de zinco afeta acentuadamente o crescimento de ramos e de folhas, havendo formação de internódios curtos, com o aparecimento de "rosetas" (folhas miúdas) na extremidade dos ramos. O Zn nos solos de regiões tropicais encontra-se em grande proporção adsorvido na matéria orgânica e argila. Sua disponibilidade no solo reduz com o aumento do pH do solo. A prática da calagem nos solos ácidos como os do cerrado agrava o problema de deficiência do elemento. Sintomas de deficiência de Zn (clorose internerval nas folhas) é comum ser observado na cultura do milho principalmente em solos sob o cerrado. Na planta como em outros sistemas biológicos, o Zn existe somente como Zn2+, e não faz parte de reações de oxirredução. Absorção – o Zn é absorvido pelas raízes das plantas na forma divalente (Zn2+), embora em pH mais alto este elemento pode ser absorvido na forma de hidróxido de Zn (ZnOH+). A maioria dos trabalhos indicam que o Zn é absorvido ativamente, portanto, com gasto de energia metabólica. O Zn possui antagonismo principalmente com Cu2+ e P. Altas concentrações de fósforo formam complexos com o Zn (P-Zn) e precipitam, além de inibir de maneira não competitiva a absorção do Zn.Transporte – o Zn é transportado via xilema em duas formas; complexada com ácidos orgânicos (ex. citrato, malato) e na forma livre como cátion divalente (Zn2+). Redistribuição – a redistribuição do Zn na planta é feito na forma complexada com solutos orgânicos de baixo peso molecular. Sua redistribuição depende fundamentalmente da disponibilidade de Zn na planta. Como é um nutriente mineral de mobilidade intermediária, a sua deficiência na planta causa primeiramente sintomas de deficiência nas folhas jovens. FUNÇÕES • Atividade de várias enzimas O Zn funciona como grupo prostético de várias enzimas importantes no metabolismo da planta como por exemplo: - Desidrogenase Alcóolica – esta enzima contém dois átomos de zinco, um com função catalítica e o outro com função estrutural. Esta enzima catalisa a redução do acetaldeído a etanol. FUNÇÕES - Síntese de ácido indolacético (AIA) O mais distinto sintoma da deficiência de Zn que é a redução do crescimento e formação de folhas pequenas, estão relacionadas aos distúrbios no metabolismo de auxinas (AIA). - Metabolismo de carboidratos Muitas enzimas dependentes de Zn estão envolvidas no metabolismo das folhas em particular. Além da função na reação da anidrase carbônica (AC) o Zn é requerido, por exemplo, para a atividade das enzimas chaves como na frutose 1,6 bisfosfatase e na aldolase, que produzem a frutose-6- fosfato e as trioses fosfatos (gliceraldeído-3-fosfato e a diidroxiacetona-fosfato), respectivamente, durante a FS. Boro As plantas deficientes em boro sofrem atrofia e posterior necrose das pontas de ramos, podendo ocorrer ou não excesso de brotações laterais, logo abaixo da gema atrofiada. As folhas novas crescem pouco e apresentam uma textura coriácea, com ondulações dos bordos e encurvamento. Há formação de manchas necróticas internervais e nos bordos das folhas. A principal fonte de boro no solo é a matéria orgânica (M.O). Solos intemperizados e com baixos teores de matéria orgânica, obviamente são deficientes em B. Na solução do solo, em pH menor que 7,0, o B se encontra como ácido bórico (H3BO3), forma esta não dissociada. A nutrição do B na nutrição das plantas é ainda o menos conhecido de todos os elementos minerais. O requerimento de B por dicotiledôneas é muito maior do que para gramíneas. Absorção – a absorção do B está relacionada ao pH e da concentração externa do elemento. No pH fisiológico é absorvido como ácido bórico (H3B03), provavelmente passivamente. Transporte – o B é transportado também na forma H3B03, e a ascensão na seiva xilemática é governada principalmente pela transpiração. Redistribuição – recentes pesquisas demonstram que o B pode ser redistribuído no floema em quantidades consideráveis, ao contrário do que se pensava. Isto se deve pela grande transferência lateral do ácido bórico do xilema para o floema, uma vez que o H3B03 não possui (ou possui em pequena proporção) resistência em passar pela membrana plasmática, por estar na forma não dissociada, portanto, comporta-se como uma molécula. A nova classificação coloca o B como um elemento de mobilidade intermediária e não como elemento de baixa mobilidade. • Síntese e transporte de carboidratos O B pode facilitar o transporte de açúcares através da membrana pela formação de complexos açúcar- borato. Esta combinação diminui a resistência da membrana plasmática permitindo que os açúcares sejam transportados com maior facilidade. O B ainda é indispensável para a síntese da uracila, precursora direta da uridina difosfato glicose (UDPG). A UDPG, por sua vez, é um dos precursores da sacarose, principal forma de açúcar (não redutor) transportada na planta. • Metabolismo de ác. nucléicos e síntese protéica A redução do suprimento de B, acarreta diminuição na síntese de uridina (item anterior), que traz como conseqüência queda na síntese de RNA e de DNA, afetando diretamente a síntese de proteína. • Síntese da parede celular A parede celular de plantas deficientes em B é alterada drasticamente tanto à nível macroscópico (rachadura do colmo, desordem do talo oco), como à nível microscópico. O diâmetro da parede celular e a proporção do peso da matéria seca total aumenta em tecidos deficientes em B. • Síntese de AIA e crescimento da planta Na deficiência de B ocorre rápida paralisação do crescimento dos meristemas apicais da planta. Há estreita correlação entre a atividade da oxidase do AIA, que controla o nível de AIA no tecido, com a elongação radicular em tecidos deficientes do micronutriente. Assim, a paralisação do crescimento dos meristemas apicais em plantas deficientes em B é resultado da menor elongação e da acumulação de níveis tóxicos de AIA. • Germinação do pólen e do crescimento do tubo polínico Nas flores a demanda de B para o crescimento do tubo polínico é fornecido pelo estigma ou pelo tecido. Em particular a função do B no crescimento do tubo polínico é o principal fator responsável pela alta demanda de B para a produção de grãos e sementes, o que o torna mais importante do que para o crescimento vegetativo (ex. milho, trevo branco, etc). Molibdênio O molibdênio, componente da enzima redutase do nitrato, está implicado no metabolismo do nitrogênio, e sua deficiência deverá provocar sintomas semelhantes à deficiência deste macronutriente. O molibdênio (Mo) ocorre na solução do solo como molibdato (MoO42-) e na sua forma mais oxidada (HMoO4-) . É um dos micronutrientes menos abundante no solo e o requerimento pelas plantas, é menor do que para outros nutrientes minerais, com exceção ao níquel. A sua disponibilidade no solo aumenta com o aumento do pH. Assim, a calagem pode resolver ou corrigir a deficiência deste micronutriente no solo. Absorção – o Mo é absorvido do solo predominantemente na forma MoO42- (pH acima de 5,0), provavelmente de forma ativa. A absorção e o transporte são aumentados (efeito sinérgico) na presença de H2PO4-, provavelmente pelo deslocamento do Mo das zonas de absorção no solo. Já a presença de sulfato (S042-) tem efeito inibitório na absorção do molibdato ( MoO42-). Transporte – o transporte a longa distância o Mo é prontamente móvel, tanto no xilema como no floema. A forma pelo qual o Mo é transportada é desconhecida, mas as propriedades químicas indicam que ele é mais transportado na forma MoO42- do que na forma complexada com aminoácidos ou açúcares. Redistribuição – o Mo é redistribuído possivelmente como MoO42-, e sua mobilidade no floema é intermediária. Funções • Constituinte enzimático a) Nitrogenase A nitrogenase é a enzima chave para todos os microrganismos que fixam nitrogênio. Esta proteína possui em sua estrutura Mo, Fe e S. Em solos deficientes, a aplicação do Mo estimula o crescimento das plantas pelo aumento da fixação de N2. A resposta no peso seco com o aumento na disponibilidade do Mo é espetacular Funções • Constituinte enzimático b) Redutase do Nitrato A Redutase do Nitrato (RN) é um enzima dímera que contém 3 grupos prostéticos que transferem elétrons; uma flavina (FAD), heme e Mo. Durante a redução do N os elétrons são transferidos diretamente do Mo para o nitrato (NO3-) formando NO2-. Plantas deficientes em Mo acumulam nitrato e podem apresentar deficiência de N. Nesta situação, tanto o teor de clorofila como o crescimento da planta são reduzidos. Cloro Os sintomas de deficiência do elemento para o maracujazeiro, não foram ainda descritos Cloro O cloro ocorre na solução aquosa como íon monovalente (Cl-). Nas plantas o Cl ocorre principalmente como um ânion livre ou pobremente ligado aos sítios de troca. O cloro supre as plantas de váriasmaneiras, como por exemplo pela reserva do solo, água de irrigação, chuva, fertilização e poluição do ar. É comum verificar-se mais sintomas de toxicidade do elemento do que deficiência. Absorção – como mencionado anteriormente o Cl pode suprir a planta de várias maneiras. A absorção via radicular da solução do solo ocorre como Cl-, entretanto, a planta pode suprir grande parte de sua deficiência pela absorção via foliar (poluição do ar, contaminantes, chuva, etc...). Transporte e redistribuição – o cloro é transportado e redistribuído pela planta na mesma forma pela qual é absorvida, ou seja, como Cl-. Como o Cl na planta, praticamente não fica preso a compostos, ele é facilmente redistribuído no floema • Evolução de 02 na fotossíntese Desde de 1946 sabe-se da importância do cloro no sistema de quebra da molécula da água durante o fluxo de elétrons na fase fotoquímica da fotossíntese. É de bom senso esperar que com a deficiência deste elemento, o fluxo de elétrons é prejudicado, e em conseqüência a fotofosforilação (produção de ATP), bem como a produção de NADPH que seria utilizado na fixação do CO2 na fase bioquímica da fotossíntese. • Regulação estomática O cloro pode ter uma função essencial na regulação estomática. A abertura e o fechamento dos estômatos é mediado pelo fluxo de K+ e ânions acompanhantes tais como o malato e o cloro (Cl-). O descontrole na regulação estomática em palmeiras é o principal fator causando supressão do crescimento e sintomas de murcha em plantas deficientes em Cloro. • Regulação estomática
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