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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA INSTITUTO DE BIOCIÊNCIAS, LETRAS E CIÊNCIAS EXATAS APOSTILA DE AULAS TEÓRICAS Departamento de Zoologia e Botânica Responsável: Profa. Dra. Elenice de Cássia Conforto Assistente: Bióloga Regiane Peres Andreoli BIBLIOGRAFIA UTILIZADA BENINCASA, M.M.; LEITE, I.C. Fisiologia Vegetal. Jaboticabal:FUNEP, 2004. 169p. FERRI, M. G.; ANDRADE, M. A. B.; LAMBERTI, A. Botânica- Fisiologia – Curso Experimental. São Paulo: Nobel, 1987. 116p. KERBAUY, G. B. Fisiologia Vegetal. 2a. Ed. Rio de Janeiro: Editora Guanabara Koogan, 2008. 452p. MALAVOLTA, E. ABC da Adubação. 5a. ed. São Paulo: Editora Agronômica Ceres, 1989. 292p. MALAVOLTA, E.; VITTI, G. C.; OLIVEIRA, S. A. Avaliação do estado nutricional das plantas – princípios e aplicações. 2a. ed. Piracicaba: POTAFOS, 1997. 319p. PRADO, R. M. Nutrição de Plantas. São Paulo: Editora UNESP, 2008. 407p. SAMPAIO, E. Fisiologia Vegetal – teoria e experimentos. Ponta Grossa: Editora UEPG, 1998. 190p. TAIZ, L.; ZEIGER, E. Fisiologia Vegetal. 5a. ed. Tradução: Armando Molina Divan Junior et al. Porto Alegre: Artmed, 2013. 918p. UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 2 SUMÁRIO PARTE I (Conteúdo da Prova 1) Capítulo 1: Introdução à Fisiologia Vegetal, pg 03 a 08 Capítulo 2: Difusão, pg 08 a 11 Capítulo 3: Osmose na Célula Vegetal, pg 12 a 16 Capítulo 4: Embebição, pg 16 a 19 Capítulo 5: Absorção de Água, pg 20 a 24 Capítulo 6: Condução da Água e Sais, pg 24 a 29 Capítulo 7: Transpiração, pg 29 a 34 PARTE II (Conteúdo da Prova 2) Capitulo 8: Absorção de Sais e Transporte de Solutos através das membranas vivas, pg 34 a 45 Capítulo 9: Transporte pelo Floema, pg 45 a 52 Capítulo 10: Fotossíntese, pg 53 a 74 PARTE III (Conteúdo da Prova 3, exceto Capítulo 12) Capitulo 11: Crescimento e Desenvolvimento, pg 75 a 79 Capítulo 12: Textos Introdutórios I. Hormônios Vegetais – Uma visão geral, pg 80 a 86 II. A luz e o desenvolvimento do vegetal, pg 86 e 87 Capítulo 13: Fitocromo, pg 87 a 97 Capítulo 14: Germinação e Floração, pg 97 a 107 Capítulo 15: A Luz Azul, pg 108 a 114 Capítulo 16: Ecofisiologia da Germinação, pg 114 a 119 PARTE IV (Seminários) Capítulo 17: Auxinas, o primeiro hormônio do crescimento vegetal descoberto, pg 119 a 126 Capítulo 18: Giberelinas: reguladoras da altura das plantas e da germinação de sementes, pg 126 a 130 Capitulo 19: Citocininas: reguladores da divisão celular, pg 130 a 133 Capítulo 20: Etileno: o hormônio gasoso, pg 133 a 137 Capítulo 21: Ácido Abscísico: um hormônio de maturação de sementes e resposta ao estresse, pg 138 a 141 Capítulo 22: Brassinosteroides: reguladores da expansão e do desenvolvimento celular, pg 141 a 145 Quadro Geral: Locais de Produção e Papel dos Hormônios Vegetais, p. 146 APÊNDICE I. Manifestações de Movimentos, pg 147 e 148 II. Compostos do Metabolismo Secundário, pg 148 a 150 III. Outras Substâncias Reguladoras, pg 151 a 156 IV. Aspectos Básicos da Nutrição Mineral, pg 157 a 162 Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 3 ************************************************************************************************************************************ CAPÍTULO 01 – INTRODUÇÃO À FISIOLOGIA VEGETAL ************************************************************************************************************************************ VOCÊ SABIA QUE... Sementes vivas e sadias podem não germinar mesmo quando colocadas em água? Uma árvore de 21m é capaz de bombear aproximadamente 450 litros de água por hora, em dias ensolarados? Cactos e outras espécies de regiões secas e quentes permanecem com os estômatos fechados durante o dia, mas, mesmo assim, realizam fotossíntese? As raízes e outros órgãos não fotossintetizam, porém os fotoassimilados são translocados até eles? Plantas crescidas sob o sol quando transferidas para local sombreado podem não sobrevive r após um certo tempo? Ipês, flamboyants, acácias e outras muitas espécies sempre florescem numa mesma época do ano? É hábito antigo de alguns povos acender fogueiras próximas às plantações de manga e abacaxi a fim de acelerar a floração dessas espécies? Uma prática comum em jardinagem é retirar folhas e botões florais dos ramos, na preparação das estacas? Pois bem! Estas e muitas outras curiosidades, ou indagações, são respondidas pela Fisiologia Vegetal. Aprender sobre a vida das plantas nos dará a oportunidade de reconhecer a importância desses organismos para o planeta Terra, pois a Vida, tal qual conhecemos, seria impossível sem estes seres... 1. PRINCÍPIOS BÁSICOS DA FISIOLOGIA VEGETAL (Leis da Termodinâmica) A fisiologia é o estudo da planta em plena atividade. É necessário determinar a natureza química dos elementos presentes na planta, e como eles são obtidos e formados (BIOQUÍMICA). Por outro lado, devemos compreender todo o tipo de trabalho realizado (mecânico, químico, elétrico, osmótico), e a natureza da energia envolvida em cada um deles (BIOFÍSICA). Todo trabalho implica em energia para realizá-lo; portanto, primeiro devem ser aprendidas as leis referentes ao trabalho e a energia, que são as Leis da Termodinâmica. A 1ª Lei é assim enunciada: A energia não pode ser criada nem destruída, apenas interconvertida de uma forma para outra. Os vegetais aplicam esta Lei quando fazem a conversão da Energia Luminosa em Energia de Ligação Química através do processo de Fotossíntese, ou quando transformam a Energia Luminosa em Energia Calorífica, promovendo a perda de água por transpiração. A manutenção da vida exige constante transformação da energia. Apesar disso, o vegetal como um todo, bem como os seus órgãos, estão sujeitos ao envelhecimento e morte. Há um motivo e uma explicação termodinâmica para isto, previstos na 2ª Lei. Antes de a enunciarmos, vamos entender sobre o que ela nos fala. A manutenção do organismo de modo organizado e funcional depende da presença de substâncias complexas, tais como DNA, RNA, proteínas, lipídeos, celulose, hormônios, etc. Estas substâncias são formadas a partir de Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 4 substâncias simples, tais como H – C – N – O – S, etc. que, de forma desorganizada não conseguem constituir um corpo vivo. O trabalho de conversão destas substâncias simples em substâncias complexas é denominado ANABOLISMO, e requer considerável quantidade de energia. Contudo, as substâncias complexas, uma vez formadas não permanecem desta forma ´para sempre`. Como sabemos, o próprio DNA continuamente sofre modificações, que alteram a vida do organismo de modo imperceptível ou de modo severo. Estudos de nutrição mineral, utilizando isótopos marcados, demonstram que determinados íons ´caminham´ pela planta, ora fazendo parte de um composto, ora de outro. A própria celulose não é uma molécula tão estável quanto se possa imaginar, ou seja, ela sofre quebras (CATABOLISMO). Isto porque existe uma tendência natural, termodinâmica, de uma volta ao estado de repouso, ao estado de menor energia, porque este é mais estável. Ou seja, “a vida é uma luta constante contra a morte”. Enquanto o organismo conseguir imprimir um ritmo maior ao ANABOLISMO que ao CATABOLISMO (Esquema 1.1), ele se manterá vivo. Quandoo CATABOLISMO for maior, o organismo entrará em declínio e após um determinado tempo, morrerá. Portanto, para o organismo se manter vivo, deve sempre lutar contra o menor nível de energia, contra o estado de repouso. Além de procurar manter sua organização, o organismo deve continuar sintetizando novos produtos, para repor células que perderam sua função, repor folhas caídas, produzir flores, frutos e sementes. Estes eventos são previstos pela segunda lei da termodinâmica, que pode ser enunciada da seguinte maneira: “A Energia consiste em dois componentes: ∆E = ∆ TS + ∆ G”. A fração ∆ TS está relacionada com a manutenção da estrutura de uma forma organizada, fugindo da entropia ("bagunça"). A energia que está disponível para a realização de trabalho (∆ G) é chamada de Energia Livre de Gibbs, e esta vai ser utilizada para os trabalhos realizados pela planta. Sendo a Energia Livre de Gibbs a mais importante para o organismo, vamos estudá-la com alguns detalhes. Há duas características principais: - Está disposta na superfície dos corpos; - Tende para um mínimo, através de um fenômeno chamado ADSORÇÃO. Estas duas características serão estudadas em experimentos práticos. Em um deles, demonstraremos a existência da energia na forma de carga em corpos sólidos, utilizando como modelos experimentais a terra e uma folha de papel-filtro (representando a celulose da parede vegetal). Em outro, demonstraremos a existência da energia livre de superfície em corpos líquidos, e mostraremos que esta energia pode ser acoplada para a realização de trabalho, o qual será medido com instrumento específico. Por fim, demonstraremos que a Energia de superfície, seguindo a Lei da Termodinâmica, tende para um mínimo, ou seja, ela é neutralizada. É de fundamental importância que se entenda as características da energia livre de Gibbs, para percebermos que "A vida é um fenômeno de superfície" (segundo o autor LING). Anabolismo Substâncias Complexas Aumento do Nível de energia Catabolismo Esquema 1.1: Aumento no nível de organização (seta para cima), com gasto de energia (Anabolismo), e diminuição do nível de organização e de energia (Catabolismo). O primeiro termo se refere a reações de síntese, e o segundo, a reações de quebra. Os organismos vivos realizam continuamente estes processos. Conforto, E.C., 2014 Substâncias Simples UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 5 2. TEORIA DAS SUPERFÍCIES Quando comparamos dois cloroplastos ou mitocôndrias de igual tamanho, podemos afirmar qual deles realiza maior quantidade de trabalho? Além da membrana envoltória das organelas (que realiza trabalhos extraordinários, como veremos a seguir), sabemos que o trabalho específico de cada uma delas acontece no interior das organelas, ou seja, nas lamelas dos cloroplastos (onde se localizam os pigmentos fotossintéticos), e invaginações da mitocôndria (onde estão as enzimas respiratórias). Fica claro que aquela que possuir mais lamelas ou invaginações realizará maior trabalho, por unidade de volume. A explicação teórica para este fenômeno está no conceito de superfícies, as quais se dividem em duas: SUPERFÍCIE REAL (S): é a área externa do corpo. . SUPERFÍCIE ESPECÍFICA (Sv): é a relação entre superfície real e volume. As relações entre estas duas superfícies são matematicamente demonstradas, com uso de quadrados de lados 1cm e 5 cm, na Figura 1.1. O maior quadrado, de maior superfície, realiza mais trabalho. Contudo, para ocupar um VOLUME igual ao do quadrado maior, são necessários os 125 quadrados menores, o que aumentará consideravelmente a superfície envolvida (representado pelo valor de Sv, que quintuplicou). Isto significa que, POR UNIDADE DE VOLUME, os quadrados menores juntos possuem maior capacidade de trabalho que o quadrado maior (maior superfície, maior energia). Por isso, diz-se que: "O somatório da superfície de todas as células de uma batata é alguns milhares de vezes maior que a própria batata"; e que os corpos mais ativos são os de maior SUPERFÍCIE ESPECÍFICA, e não os de maior superfície real. Analogamente, pode-se compreender o motivo termodinâmico de como as células meristemáticas, com tão pequeno volume, conseguem realizar tanto trabalho. Tal relação pode ser aplicada em diversos níveis, desde o macro ao microscópico, conforme demonstrado no Quadro 1.1. Quadro 1.1.: Relação direta entre superfície específica (Sv) e atividade da planta. Superfície Envolvida Estado ativo (grande Sv) Estado inativo (pequena Sv) 1. Superfície externa da planta a) árvores decíduas Folhas Ausência de folhas b) caules herbáceos Ramados e folhosos Esféricos 2. Superfície externa das células Células meristemáticas pequenas Células parenquimáticas grandes 3. Superfície protoplasmática interna Muitas organelas Poucas organelas 4. Superfície interna das organelas Mitocôndrias Muitas cristas pouca ou nenhuma crista Cloroplastos Muitas lamelas poucas lamelas 3. SUPERFÍCIES (MEMBRANAS) DA CÉLULA VIVA A célula vegetal é a menor parte da planta que contém as características desta, e por isso, deve constituir o primeiro foco de interesse do fisiologista. A célula vegetal apresenta dois tipos principais de superfícies: a membrana celulósica, e as membranas que revestem as organelas. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 6 A membrana (ou parede) celulósica (ou celular), é formada por celulose, hemicelulose, compostos pécticos, suberina, lignina (Figuras 1.2 e 1.3), e também proteínas. A celulose está formada por microfibrilas, que se juntam formando fibrilas, as quais se entrelaçam, deixando espaços suficientemente largos para permitir a passagem de água e solutos não muito grandes (FREE SPACE). Portanto, a membrana celulósica é até certo ponto PERMEÁVEL, possuindo uma permeabilidade passiva. A parede celulósica é carregada negativamente (será demonstrado em aula prática), sendo esta carga ADSORVIDA, principalmente pela água. Assim, a regulação do conteúdo adequado do citoplasma e das organelas deve ser realizada pelas membranas vivas, que delimitam o conteúdo destes. As membranas vivas (Figura 1.4), ou seja, a citoplasmática, o envoltório nuclear, das mitocôndrias, dos cloroplastos, tonoplasto, etc., são lipo-proteicas, e possuem uma PERMEABILIDADE DIFERENCIADA (ou: SELETIVA) para os solutos, pois alguns entram e saem livremente, enquanto outros são prevenidos de entrar ou de sair. A diferença de permeabilidade entre a membrana celulósica e as membranas vivas será demonstrada em aula prática: 1. Quando o tecido vegetal é colocado em contato com substâncias contendo cargas, estas podem ficar retidas na parede celulósica; 2. Se esta solução for de uma substância não carregada, estas poderão atravessar a parede celulósica; contudo, dependendo do seu tamanho, poderão ser impedidas de atravessar a membrana viva. Assim, a célula entrará em equilíbrio com o meio através da perda somente de água, causando o fenômeno da PLASMÓLISE, que é uma demonstração da permeabilidade seletiva da plasmalema. Figura 1.1: Relação entre a superfície (área) e volume. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 7 Figura 1.2: Parede (membrana) celular (celulósica). Figura 1.3: Diagrama esquemático dos principaiscomponentes da parede celulósica primária e seu provável arranjo. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 8 Figura 1.4: A membrana citoplasmática. ********************************************************************************************************************************** CAPÍTULO 02 – DIFUSÃO *********************************************************************************************************************** 1. INTRODUÇÃO Começaremos a estudar os trabalhos realizados pelo vegetal primeiramente com enfoque na célula. Dentre estes trabalhos, podemos citar a entrada e a movimentação de substâncias sólidas, líquidas e gasosas. Cada qual envolve peculiaridades, mas há um processo geral relacionado com elas chamado de DIFUSÃO. 2. CONCEITO DE DIFUSÃO A difusão é um movimento organizado de partículas, de uma região de maior energia para uma de menor energia, tendendo ao equilíbrio. Como é decorrência da 2ª lei da Termodinâmica, é um processo passivo (não gasta energia). Após o equilíbrio, a movimentação continua, mas agora é de forma aleatória, causada apenas pela energia cinética inerentes às mesmas (desde que estejam em temperatura acima do zero absoluto). A difusão ocorre nos sólidos, líquidos e gases. Nos gases, devido à menor quantidade de partículas por unidade de volume, o fluxo de difusão é mais livre e mais rápido que nos líquidos (onde atua o fator densidade), e nestes do que nos sólidos (onde o tamanho das partículas e a possível presença de cargas tornam o processo ainda mais complexo). O primeiro caso estudado será referente aos gases. 3. DIFUSÃO DE GASES Os vegetais movimentam fantásticas quantidades de CO2, O2 e vapor de água. Este processo possui duas características importantes: 1a. A difusão gera uma pressão. Observe que esta característica se aplica também à difusão de líquidos. 2a. A difusão de um gás independe da difusão de um segundo gás, pois esta velocidade depende da densidade. Portanto, a difusão é maior no vapor de água; nesta, que no O2; e neste, do que no CO2. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 9 4. DIFUSÃO DE LÍQUIDOS = OSMOSE As leis da difusão aplicam-se tanto para solventes quanto para solutos. No caso da célula vegetal, devido a maior quantidade de solventes, torna-se necessário um estudo mais cuidadoso da DIFUSÃO DA ÁGUA. Uma característica da difusão é que ela gera uma pressão. Como pressão é definida como força por unidade de área, sendo a área celular bastante pequena, a pressão exercida pela entrada da água vai gerar forças muito grandes e importantes para a realização de trabalho. Por isso, a difusão da água é denominada OSMOSE, e primeiramente estudaremos as principais características desta importante molécula. 4.1. CARACTERÍSTICAS DA ÁGUA A água possui algumas características muito especiais, que trazem importantes consequências para a vida dos organismos. O estado líquido, apesar do baixo molecular, é conseguido pela presença das pontes de hidrogênio. Devido à distribuição assimétrica de cargas dentro da molécula, as pontes unem-se entre si, gerando outras características: a coesão (a água é uma "molécula gigante") e a aderência (capacidade de unir-se ao oxigênio da superfície dos corpos formando pontes de hidrogênio). A capacidade de aderência torna a água um solvente praticamente universal e, devido à sua polaridade, ela pode se ligar em superfícies carregadas negativa ou positivamente, sendo um excelente agente de Adsorção. Para evaporar 1g de água líquida, há um gasto de 53 cal; isto causa redução na temperatura do corpo que transpira. Por outro lado, é preciso retirar 80 cal para 1g de água tornar-se sólida; isto impede o congelamento nas temperaturas biológicas. A água se expande quando congela, e torna-se menos densa (por isso o gelo flutua); uma consequência do congelamento é a ruptura das paredes celulares. Por ser incompressível (não diminuir de volume) nas pressões existentes no tecido vivo, constitui um esqueleto hidráulico. 5. RELAÇÕES ENERGÉTICAS LIGADAS AO PROCESSO DE DIFUSÃO A taxa de movimentação vai depender dos fatores que alterem a taxa de energia livre das substâncias (já que o movimento irá de uma região de mais alta para uma de mais baixa energia). Uma forma de se medir a quantidade de energia presente no corpo, ou seja, uma forma de definir melhor a energia livre de Gibbs, é através da medida da energia real do sistema, chamada de Potencial Químico. POTENCIAL QUÍMICO = µ (lê-se mí) = R T ln a, onde: R = constante dos gases (0,082 atm/mol/K) T = temperatura absoluta (K = °C+273) ln = log neperiano a = atividade da substância Atividade: termo que serve para indicar qual o número de partículas que serão encontradas após o composto ter sido dissolvido em água. No caso das substâncias iônicas, p.ex., quando uma solução 1M de NaCl é colocada em água, o composto torna-se ionizado, gerando íons Na e Cl. Porém, como a dissociação não é completa, em vez de gerar 2 moles de partículas, gera 1,8 moles. Este número (1,8) é referido como Coeficiente Isotônico (veja em Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 10 Potencial de Soluto). Para substâncias moleculares, este coeficiente isotônico sempre será representado pelo valor 1,0. Lembrar ainda que: 1 mol de partículas contém 6,02 x 10 23 partículas (número de Avogadro). Como em qualquer processo de difusão, a osmose ocorrerá de um local de maior para um de menor potencial químico. Portanto, o fluxo de difusão será dirigido pelo somatório das diferenças de temperatura, pressão e atividade. Examine a Figura 2.1 e aprenda sobre o tipo obrigatório de membrana separadora que deve existir para que possamos estudar a passagem apenas da água, e entenda como a atividade e a concentração afetam a energia da água. A ação da temperatura não está contemplada na figura, e será explicada oralmente. Teoricamente, o método ideal para prever o sentido da osmose entre dois meios seria quantificar a energia total de cada um deles, o que dependeria de fazer um somatório do potencial químico de cada substância presente no meio. Mesmo para UMA única célula vegetal, tal tarefa seria impossível de ser realizada; por isso, na prática utilizamos uma medida da VARIAÇÃO DA ENERGIA com relação a um PADRÃO, que vai ser o puro solvente = a ÁGUA PURA. Este PADRÃO tem como valor de energia o máximo, e vale ZERO. Qualquer adição de soluto DECRESCE a energia livre do solvente; portanto, qualquer solução, por mais diluída que seja, terá menos energia que a água pura (para entender esta afirmação, atente para o exemplo da temperatura necessária para causar ebulição na água pura, e na água com açúcar). Essa medição da energia a partir de um padrão é denominada de POTENCIAL DE SOLUTO (ou POTENCIAL OSMÓTICO), representado por Ψs (lê-se psi-esse), e calculado da seguinte maneira: Ψs = - (i) C R T Entenda o significado de cada componente: - = indica decréscimo de energia; (i) = coeficiente isotônico; C = concentração; R = constante dos gases (0,082 atm/mol/K) *; T = temperatura absoluta (Kelvin). * converter os valores para MPa (mega Pascal), dividindo o valor obtido em atm por 10. Concentração= Número de partículas por volume. Coeficiente Isotônico= igual a 1,0 para substâncias molecularese MAIOR que 1,0 para substâncias iônicas. Uma dúvida recorrente: Se o aumento do número de partículas AUMENTA a energia do sistema, porque neste caso o aumento da concentração causou uma DIMINUIÇÃO da energia? Observe que o AUMENTO se refere à ENERGIA REAL do sistema, enquanto a diminuição demonstrada é da ENERGIA RELATIVA DO SOLVENTE. Lembre-se de que neste capítulo estamos tratando apenas da movimentação de SOLVENTES! 6. FORÇA GERADA PELA OSMOSE A força da água que entra dentro de um sistema é chamada PRESSÃO HIDROSTÁTICA (P. Hidr.). Na célula vegetal, esta força é designada também como Potencial de Pressão ou Pressão de Turgidez, representada por Ψp. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 11 Esta força permite ao vegetal realizar importantes trabalhos, tais como a expansão de células com paredes ainda elásticas, força motora para a abertura estomática, garante a hidratação do citoplasma (e, como consequência, a manutenção do seu metabolismo), e também está relacionada com o transporte de longa distância no floema, conforme estudaremos em capítulos posteriores. Figura 2.1: Ação da concentração (a), da pressão (b) e da soma de ambas (c) sobre o nível de energia do solvente. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 12 ********************************************************************************************************************************** CAPÍTULO 03 – OSMOSE NA CÉLULA VEGETAL ********************************************************************************************************************************** 1. RELAÇÕES ENERGÉTICAS NUMA CÉLULA VEGETAL: POTENCIAL DA ÁGUA Foi visto que o potencial de soluto mede o nível de energia do solvente, tanto num sistema físico como numa célula vegetal, sendo que a pressão (a atmosférica) é um dos seus componentes. Porém, na célula vegetal, a presença da parede celulósica leva à criação de uma pressão adicional sobre o suco celular, que atua de modo similar ao do êmbolo já discutido anteriormente. Esta pressão é denominada como Potencial de Pressão (ou, muitas vezes: pressão de turgidez, de turgescência ou de turgor), representada pelo símbolo Ψp. (lê-se: psi-pê) Logo, a medição da energia total do suco celular envolve o somatório de dois componentes: um que DIMINUI a energia livre: potencial de soluto (ou osmótico), Ψs um que (dependendo da condição, como será visto adiante), AUMENTA a energia livre, o potencial pressão ou de turgidez, o ΨP. O somatório destes dois componentes é denominado POTENCIAL DA ÁGUA (ou Potencial Hídrico), representado pela letra grega ψw (lê-se psi-w). ψw = Ψs + ΨP, lembrando que Ψs = -(i) CRT, a equação completa é: ψw = -(i) CRT + Ψp Segundo Taiz & Zeiger, um terceiro componente influencia o potencial hídrico celular, referindo-se ao fator Gravidade. A gravidade faz com que a água se mova para baixo, a não ser que uma força igual e oposta se oponha a ela. Quando se fala em transporte de água em nível celular, o componente gravitacional é geralmente omitido porque é desprezível. No entanto, quando pensamos na movimentação da água para cima, no caule, é preciso considerar a ação desta força, conforme será visto no Capítulo 6. Quando se fala da água em solos secos, e em tecidos vegetais com conteúdos de água muito baixos, como em sementes, é comum encontrar-se referências a um 4º. fator que influencia o ψw, denominado de potencial mátrico (Ψm). Sob estas condições, a água ocorre como uma camada muito delgada, talvez com uma ou duas moléculas de profundidade, ligada à superfícies sólidas por interações eletrostáticas. Este componente da pressão será estudado no Capítulo 4. Num sistema físico, onde não existe a membrana celulósica exercendo a pressão de turgidez, potencial hídrico e potencial de soluto são sempre iguais: ψw = Ψs lembrando que Ψs = - (i) CRT), temos que: ψw = Ψs = - (i) CRT Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 13 Num sistema físico, o maior valor de ψw, assim como visto para Ψs, será ZERO. Contudo, em uma célula vegetal, ainda que esteja totalmente túrgida, o ψw NUNCA será igual à ZERO, simplesmente porque não pode existir uma célula viva com concentração de solutos igual a zero. Na célula túrgida, ψw será o MAIS PRÓXIMO POSSÍVEL DE ZERO, mesmo sob ação do Ψp que aumentará a energia livre do suco celular. Além disso, vale recordar que ψw mede um nível RELATIVO de energia, comparado a um padrão, e não o nível real (total) de energia do sistema. 2. OUTROS VALORES POSSÍVEIS PARA Ψp O potencial pressão pode assumir os seguintes valores nas diferentes condições da célula: 2.1. Célula em turgescência máxima: a pressão de Ψp é o máximo, e Ψw terá o maior valor positivo possível. 2.2. Célula hidratada, mas não totalmente: conforme a célula perde água e a turgescência diminui, Ψp continua sendo positivo, e continua aumentando o Ψw da célula, porém de modo menos intenso que o descrito no item 2.1. Contudo, se o tecido estiver perdendo água para o meio, devemos considerar duas situações: 2.3. Em Laboratório: As células perdem primeiramente a água da parede celular (que é hidratada) e diminuem de tamanho, até o ponto permitido pela rigidez da parede. Daí em diante, começam a perder água do citoplasma e vacúolo celular, até que a retração do conteúdo celular (citoplasmático mais vacuolar) causa uma separação da membrana citoplasmática com relação à membrana celulósica. Nesta situação, não se pode falar em turgidez e, portanto, Ψp = 0. Neste caso, o Ψw ficará apenas com o componente Ψs, como no sistema físico; conforme progride a desidratação (faremos em aula prática), Ψw vai ficando cada vez mais negativo. Neste caso, dizemos que ocorreu o fenômeno da PLASMÓLISE (Figura 3.1). 2.4. Numa situação natural: o fato das células das folhas estarem unidas (pela lamela média) faz com que a acentuada perda de água leve a um abaulamento das paredes celulares e, devido à rigidez mecânica das mesmas, haverá uma tentativa para voltar à posição normal. Assim, a pressão de turgidez acontecerá para FORA da célula, transformando-se agora numa FORÇA NEGATIVA, que diminuirá ainda mais o Ψw da célula. Isto faz sentido, já que o citoplasma está bastante desidratado (Figuras 3.2. e 3.3). Esta situação é denominada de CITORIZE (pronuncia-se citorrize). Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 14 Figura 3.1: Célula vegetal túrgida (a), plasmolisada (b) e com plasmólise irregular (c), como seria observada na célula-guarda estomática. P= protoplasma; C= membrana celular; V= vacúolo. Figura 3.2: Citorize em uma folha de Pinus strobus. No alto, situação de plena hidratação, e abaixo, após perda de 55% do peso de sua matéria fresca. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 15 Figura 3.3: Detalhe da citorize em uma célula flácida. O sinal (-) indica um decréscimo na energia livre da água. As setas indicam a direção da força. 3. IMPORTÃNCIA DO POTENCIAL HÍDRICO E POTENCIAL DE SOLUTO 3.1. Potencial Hídrico (ou da Água): indica o grau de hidrataçãodo suco celular (Figura 3.4). Permite predizer o sentido da osmose entre células (como ocorre na raiz), e entre o meio e a planta. Comparado entre plantas, caracteriza grupos ecológicos: de um modo geral, plantas cultivadas apresentam (Ψw) maior que plantas de vegetação natural. Pode ser determinado para cada órgão vegetal, embora seja mais comum o seu estudo para folhas. Possui um padrão diário (relacionado com a variação da demanda evapotranspiratória) e sazonal (ao longo do ano). Varia entre cultivares, e com a fase do desenvolvimento (Quadro 3.1). Em estudos de estressamento hídrico, serve para determinar qual o número máximo de dias que a planta pode suportar sem irrigação (estes estudos são acompanhados da determinação das trocas gasosas, e de estudos posteriores para avaliar os efeitos causados na produtividade econômica). 3.2. Potencial de Soluto: indica o grau relativo de hidratação do citoplasma, e determina o sentido da osmose entre vacúolo e citoplasma da mesma célula, visto que ambas estão sujeitas à mesma pressão de turgidez (potencial pressão). É um componente importante nos estudos do comportamento das plantas que passam por deficiência hídrica, informando sobre sua capacidade de superação deste período com ou sem alteração na produtividade. Quadro 3.1: Potencial hídrico de plantas cultivadas submetidas a deficit hídrico (Conforto, 1987, 1999, 2001). Cultivar/Idade Ψw (MPa) controle deficit (limite) Mamona, cultivar Guarani, 90 dias -0,50 -1,98 Arroz de sequeiro, cv. IAC 165, estádio de perfilhamento (30 dias) -0,50 -2,70 Seringueira, clone IAN 873, pé-franco, 8 meses de idade -1,50 -3,90 Observação: A entrada de água na célula (ou sistema) é chamado de Endosmose, e sua saída, de Exosmose. Tais termos são empregados futuramente. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 16 Figura 3.4: Relações hídricas da célula vegetal, comparativamente à da célula animal. ********************************************************************************************************************************** CAPÍTULO 04 – EMBEBIÇÃO ********************************************************************************************************************************** 1. INTRODUÇÃO A embebição é um processo puramente físico, através do qual um material torna-se hidratado através do contato com algum agente embebidor. Diferentemente da osmose, o agente embebidor não precisa estar na forma líquida; embora esta seja uma forma simples para diferenciar Osmose e Embebição, as diferenças não param aí e a importância de cada um destes processos para o vegetal também é diferente. 2. DEFINIÇÃO A embebição é atração de um agente embebidor exercida pelas partículas coloidais. As reservas das sementes vegetais são ricas em substâncias coloidais, como carboidratos, lipídeos e proteínas; assim, toda semente, antes de germinar, obrigatoriamente deve embeber. Contudo, a Germinação é um processo Fisiológico, enquanto que a Embebição é puramente físico, ou seja, sementes não embebidas não germinam, mas sementes velhas, por exemplo, podem embeber e depois não germinarem. A embebição ocorre até que se atinja o equilíbrio entre o potencial da água do meio embebidor e o potencial mátrico (ou potencial matricial) da substância que embebe. 2.1. POTENCIAL MÁTRICIAL OU POTENCIAL MÁTRICO (Ψm) É semelhante ao potencial de soluto no sentido que também indica uma diminuição de energia livre do solvente pela adição de solutos; mas agora estamos nos referindo a coloides (polipeptídeos, celulose, proteínas, Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 17 lipídios) e não a moléculas. Como são partículas maiores, com maior superfície contendo energia para ser adsorvida, a redução da energia livre do solvente é maior neste caso. Em sementes, como o material de reserva é extremamente seco, os gradientes existentes entre ela e o meio embebidor são sempre muito grandes; por exemplo: enquanto uma halófita possui um Ψw de até -11,5 MPa, sementes de Xanthium strumarium podem desenvolver um potencial matricial de até -100 MPa. Portanto, a embebição ocorre em soluções onde um tecido hidratado já sofreria perda de água. A embebição pode ocorrer a partir do vapor de água da atmosfera, como em líquens, crescidos sobre rochas; ou no papel, em um dia muito chuvoso, porque há um grande gradiente entre o potencial matricial destas substâncias e o potencial hídrico da atmosfera. A umidade relativa do ar pode ser expressa em termos de potencial hídrico do ar (Potencial Hídrico do ar = 4,55 x T x ln UR), conforme Tabela. 4.1. Tabela 4.1: Relação entre umidade relativa e potencial hídrico do ar, assumindo que a temperatura seja 20° C. Umidade Relativa (%) Pot. Hídrico (MPa) Umidade Relativa (%) Pot. Hídrico (MPa) 100 0 90,0 -32,0 99,9 -0,31 75,0 -89,4 99,5 -1,56 50,0 -215,5 99,0 -3,12 20,0 -500 98,0 -6,28 10,0 -718 95,0 -15,96 3. EMBEBIÇÃO E SEMENTES Após a fertilização, o desenvolvimento do embrião de uma Angiosperma é normalmente dividido em três fases: histodiferenciação – maturação e dessecação. Os detalhes anatômicos dos processos deverão ser consultados junto ao professor de Anatomia Vegetal, pois somente comentaremos os aspectos Fisiológicos. Devemos destacar dois aspectos relativos ao nível de água na semente. Ao final da fase de maturação ocorre o maior acúmulo de matéria seca nos tecidos da semente, representando o ponto de maturidade fisiológica. Na fase de dessecação, ao final do período de maturação, ocorre na semente um acentuado aumento na taxa de desidratação e ruptura de suas conexões tróficas com a planta. O metabolismo cai acentuadamente; no entanto, pode persistir no embrião. Ao final da dessecação, a semente em geral atinge o estádio ótimo para a colheita e o beneficiamento, bem como para a dispersão. Neste ponto, quando cerca de 90% da água originalmente presente nos tecidos foi removida, os processos de troca energética entre a semente e o ambiente são reduzidos a níveis mínimos e praticamente imperceptíveis. Nesta fase, a semente encontra-se quiescente, ou seja, apta a germinar sob condições favoráveis do meio ambiente, ou apresentando dormência, quando necessitará de estímulos ambientais específicos para adquirir a capacidade de germinação (vide Capítulo 18). Considerando que, do ponto de vista fisiológico, a capacidade para germinar é muitas vezes adquirida no início da fase de maturação, existem fatores responsáveis pelo controle do crescimento do embrião que impedem a viviparidade (vide Capítulo 21). A germinação representa um ´novo começo´ para a semente, cujo embrião sofreu uma interrupção em seu crescimento ao final da fase de maturação na planta-mãe. A germinação inicia-se com a entrada de água na semente – a Embebição – que desencadeará a ativação do metabolismo, culminando com o crescimento do eixo Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 18 embrionário. Para que ocorra a embebição, é necessário que os tecidos que envolvam o embrião sejam permeáveis à água. Considerando as estruturas da semente e do fruto, existem sementes com envoltórios impermeáveis, parcialmente permeáveis ou totalmente permeáveis; porém, a embebição pelo vapor de água atmosférico é desprezível. Sob plena disponibilidadede água, a embebição ocorre, em muitos casos, numa curva trifásica (Fig. 4.1). Na fase I, o teor de água aumenta rapidamente, seguido de uma estabilização na fase II, e com outro aumento na fase III, em decorrência do crescimento do embrião. A rápida entrada na Fase I causa alterações na permeabilidade das membranas devido à mudança de estado gel para um estado líquido-cristalino, característico das membranas normalmente hidratadas. Na fase II, há estabilização do conteúdo de água e a ativação dos processos metabólicos necessários para o início do crescimento do embrião. A duração dessa fase e a quantidade de água na semente são dependentes do potencial de água do meio (quanto maior o gradiente, maior a embebição), da temperatura (sendo uma reação, quanto maior a temperatura, maior a velocidade do processo) e do tipo de reserva da semente. 4. COLÓIDES CITOPLASMÁTICOS E ABSORÇÃO DE ÍONS A estrutura dos coloides proteicos do vegetal é bastante peculiar, e isto tem reflexos diretos no processo de absorção iônica. Os coloides proteicos dos vegetais são diferentes dos coloides animais por apresentarem mais radicais –- COOH do que –NH2 (Esquema 4.1). Assim, enquanto a neutralidade elétrica de uma proteína animal é no pH 7,0, para a proteína vegetal esta neutralidade é verificada no pH 5,5 (Esquema 4.2). Como o citoplasma vegetal tem pH ao redor da neutralidade, concluímos que ele é carregado NEGATIVAMENTE. Esta característica é de fundamental importância para entendermos parte do processo da absorção de sais, como será visto no Capítulo 8. COOH (em meio básico, perde H+) –COO- ¦ R – C – NH2 (em meio ácido, ganha H+) – NH3+ ¦ R Esquema 4.1: Estrutura de um coloide proteico animal e de um coloide proteico vegetal. Conforto, E.C., 2014 Em proteínas vegetais, este (R) é outro radical – COOH UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 19 (A) (B) Esquema 4.2: Cargas resultantes nos diferentes pH para proteínas animais (A) e para proteínas vegetais (B). Figura 4.1: Padrão de variação do conteúdo de água (linha grossa) e principais eventos fisiológicos e metabólicos (linhas finas) associados às diferentes fases de captação de água pelas sementes durante a embebição e germinação. Linhas contínuas: início e/ou final do processo. Conforto, E.C., 2014 (carga positiva) (carga neutra) (carga negativa) 0 7 14 (carga positiva) 5,5 0 7 14 neutralidade elétrica (carga negativa) UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 20 *********************************************************************************************************************************** CAPÍTULO 05 – ABSORÇÃO DE ÁGUA *********************************************************************************************************************************** 1. INTRODUÇÃO Para as plantas se manterem vivas e se reproduzirem, devem ser capazes de adquirir do meio ao seu redor a água, sais e gases. O esquema a seguir define onde ocorrem, e quais são as principais etapas deste processo para as plantas terrestres. FOLHAS Perda C Água no solo A U Condução L E Absorção RAIZ O caminho percorrido pela água desde o solo até o interior da raiz é denominado de “Transporte de Curta Distância”, por envolver um número determinado de células. O que ocorre entre o colo (região de transição entre a raiz e o caule) e a entradas nas folhas, por envolver distâncias consideráveis, é denominado de “Transporte de Longa Distância” (convém prestar atenção, pois estas denominações também são aplicadas para o transporte que ocorre no floema!). Neste capítulo, será estudada a situação da água e sais no solo, e como a água é absorvida pela raiz; no Capítulo 6, a condução pelo caule, e no Capítulo 7, a perda através das folhas. Ao final do estudo, o esquema deverá ser completado com as seguintes informações para cada órgão (raiz; caule; folhas): (a) característica anatômica marcante; (b) nome do processo físico que ocorre; (c) fonte de energia para o processo. 2. O SOLO 1. CONSTITUINTES As plantas aquáticas estão numa situação bastante favorável de suprimento hídrico, o mesmo não ocorrendo para as plantas terrestres, que devem retirar a água do solo próximo de suas raízes. O solo (Fig. 5.1) é um sistema complexo, constituído de 4 fases: biológica, sólida, líquida e gasosa. A Fase Biológica refere-se a todos seres vivos que interagem e modificam o solo. A Fase Sólida é formada por partículas de diferentes tamanhos, cuja proporção relativa de cada uma serve para identificar o tipo de solo. Devido aos diferentes tamanhos, elas deixam espaços entre si, preenchidos por água e gases. Devemos recordar que as partículas possuem cargas negativas (*), e com isso, atraem água e sais, o que possibilita que o ψw do solo não seja muito baixo, ao mesmo tempo que impede que estes sais sejam lixiviados. Dependendo da distância desde a superfície, temos os diferentes Horizontes (A, B e C). Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 21 A Fase gasosa é preenchida principalmente por O2 (presente em menor concentração que a atmosférica) e CO2 (em maior concentração que a atmosférica). A Fase Líquida, na verdade constituída por água e sais (solução do solo), apresenta três tipos de água: de adsorção (ou higroscópica), capilar e gravitacional. A soma da água higroscópica mais a água capilar é denominada CAPACIDADE DE CAMPO (CC). Um solo com 100% de CC está totalmente preenchido por água, mas isto não significa uma situação ideal para as plantas, pois tanto a absorção de água quanto como a atividade metabólica da raiz dependem da presença de oxigênio. (*) As cargas negativas do solo devem-se a substituições de íons da estrutura dos cristais por outros, de aproximadamente o mesmo tamanho, porém com carga diferente (p. ex, Si 4+ por Al 3+ e de Al 3+ por Mg 2+), produzindo um excesso de carga negativa, adsorvida pelos cátions existentes na superfície dos minerais, e também pela água. 2.2. O SOLO E OS SAIS As plantas terrestres absorvem sais preferencialmente via sistema radicular. No caso de epífitas, briófitas e plantas do estrato inferior, a absorção foliar é particularmente importante. Os nutrientes do solo estão presentes nas seguintes formas: – solução do solo: em baixas concentrações, para não causar desequilíbrio osmótico na raiz, como exemplificado: NO3 – abaixo de 2 mm; K+, menos que 1,2 mM; PO4 2-, menos que 0,001 mM; SO4 2-, menos que 0,5mM. – adsorvidos às cargas negativas do solo; - sob a forma de húmus: classe de substância que se encontra numa longa fase intermediária de decomposição, compreendida entre a descaracterização do composto orgânico de natureza bem definida e a mineralização. Interage com os seres vivos e o próprio ambiente; possui carga negativa resultante da ionização dos grupos carboxila e grupos hidroxila de compostos fenólicos presentes na lignina do material vegetal em decomposição. – armazenados na rocha-mãe: cuja liberação depende da intemperização, quantidade disponível, e da natureza química da rocha. 3. TRANSPORTE DE CURTA DISTÂNCIA = ABSORÇÃO PELAS RAÍZES 3.1. ABSORÇÃO DE ÁGUA A entrada da água na raiz também é denominada de Transporte de Curta Distância. A água, sendo altamente permeável às membranas celulares, é absorvida sem qualquer gasto de energia. Após entrar em contato com a superfície da raiz, há 3 rotas pelas quais a água pode fluir: a apoplástica, a simplástica e a transmembrana (Figura 5.2). 1. O apoplasto é o sistema contínuo de paredes celulares, espaços intercelulares de aeração e lume de células que perderam seu citoplasma (isto é, condutos do xilema e fibras). Na rota apoplástica, a água move-se pelas paredes celulares e por qualquer espaço extracelular preenchido com água, isto é, sem atravessar, qualquer membrana, à medida que ela se desloca ao longo do parênquima cortical da raiz. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 22 2. O simplasto consiste da rede de citoplasmas celulares interconectados por plasmodesmas. Nessa rota, a água desloca-se através do parênquima cortical, passando de uma célula para a próxima via plasmodesmas, sem atravessar qualquer membrana. 3. A rota transmembrana é aquela seguida pela água que sequencialmente entra em uma célula por um lado, sai pelo outro lado, entra na próxima célula da série e assim por diante. Nessa rota, a água atravessa pelo menos duas membranas para cada célula (a membrana plasmática na entrada e na saída). O transporte pelo tonoplasto também pode estar envolvido. Na rota transmembrana, a presença de membranas significa que a força propulsora relevante é o gradiente de potencial hídrico total. Apesar da importância das rotas apoplástica, simplástica e transmembrana não ter sido ainda completamente estabelecida, experimentos com a técnica da sonda de pressão indicam que a rota apoplástica é particularmente importante para o movimento de água através do parênquima cortical em raízes jovens de milho. Na endoderme, o movimento da água através do apoplasto é obstruído pela estria de Caspary, que é uma banda de paredes celulares radiais, impregnada com uma substância cerosa e hidrofóbica, a suberina. Esta atua como uma barreira ao movimento de água e solutos. A endoderme torna-se suberizada na porção da raiz que não está em crescimento, a vários milímetros do ápice da raiz. A estria de Caspary quebra a continuidade da rota apoplástica, forçando a água e os solutos a atravessarem a endoderme pela membrana plasmática. A obrigatoriedade da água em mover-se simplasticamente através da endoderme também ajuda a explicar porque a permeabilidade das raízes à água depende tão fortemente da presença de aquaporinas (ver Capítulo 8). A entrada de água nas raízes cria uma pressão, denominada como PRESSÃO DE RAIZ. Esta pode ser medida acoplando-se um manômetro ao caule de uma plântula seccionado logo acima do solo, o que resultará na exsudação de seiva do xilema cortado por muitas horas (Figura 5.3). A pressão medida, nestes casos, pode atingir valores entre 0,05 a 0,5 MPa (Figura 5.3). Assim, a causa da pressão de raiz (PR) é a diferença de potencial hídrico entre o solo e os vasos do xilema: PR = Ψw SOLUÇÃO DO SOLO - Ψw SOLUÇÃO DOS VASOS DO XILEMA Quanto maior esta diferença, maior será a pressão de raiz. Assim, esta é a origem da ´convergência´ ou ´soma´ das pressões, um dos componentes necessários para a continuidade do fluxo de água através da planta, agora percorrendo o caminho do caule (Capítulo 6). Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 23 Figura 5.1: Horizontes do Solo. Figura 5.2: Transporte de curta distância. Através do parênquima cortical, a água pode movimentar-se pelas rotas apoplástica, transmembrana e simplástica. Na rota simplástica, a água flui entre células pelos plasmodesmos, sem atravessar a membrana plasmática. Na rota transmembrana, a água move-se através das paredes plasmáticas, com uma curta permanência no espaço da parede celular. Na endoderme, a rota apoplástica é bloqueada pela estria de Caspary. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 24 Figura 5.3: Manômetro para medir a pressão positiva da raiz. *********************************************************************************************************************************** CAPÍTULO 06 – CONDUÇÃO DE ÁGUA E SAIS *********************************************************************************************************************************** 1. INTRODUÇÃO Uma vez que tenham atravessado o tecido da raiz, soluto e solvente (sais minerais e água = SEIVA MINERAL ou INORGÂNICA) devem subir juntos pelo caule, para serem distribuídos para a parte aérea do vegetal. Este processo de condução da seiva, por envolver distâncias consideráveis, também é denominado de Translocação, Transporte de Longa Distância, ou ainda, de Condução pelo Caule. 2. TRANSPORTE DE LONGA DISTÂNCIA= CONDUÇÃO PELO CAULE A Figura 6.1. esquematiza todas as etapas deste transporte. A velocidade deste fluxo pode variar de 1m h -1 (0,3 mm s-1) até, em casos extremos, 45 m h -1 (13 mm s-1). A difusão célula a célula poderia explicar apenas uma parte infinitesimal desta velocidade; logo, um outro tipo de movimento deve estar envolvido. Conforme nosso esquema básico, observamos que a seiva que chega das raízes CONVERGE para um único ponto, o colo do vegetal, e que no final do caule, quando iniciam as ramificações, temos um ponto onde a seiva DIVERGE. Assim sendo, temos uma região de SOMA de pressões (das raízes) e uma de DIVISÃO (para os ramos). Existe, portanto, um GRADIENTE DE PRESSÃO no caule, indo a seiva de um local de MAIOR para um de MENOR pressão. O movimento associado ao gradiente de pressão é denominado FLUXO EM MASSA, e é descrito pela lei de Pouseuille (pronuncia-se Pazéli): LEI DE POISEUILLE: F = K x P, onde F = velocidade do fluxo K = componente condutividade P = componente pressão Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 25 Dentro do vaso do xilema, há uma coluna de seiva que se move para cima, e sofre um atrito em contato com o filme de água estacionário adsorvido às cargas negativas das paredes do xilema. Além disso, devemos considerar a viscosidade da seiva. Estes fatores que alteram a condutividade são relacionados do seguinte modo: K = pi r 4 pi= 3,1416..... 8η r= raio do tubo η = viscosidade do líquido que flui Para efeito de cálculos, se considerarmos a viscosidade daseiva como sendo igual à da água pura (1), fica evidente que quanto maior o calibre do tubo, mais eficiente será o processo de subida da seiva. Foi mencionado que existe um gradiente de pressão entre as regiões de convergência e divergência da seiva. Este gradiente gera a força motora para o processo, que causa o deslocamento da seiva em uma determinada distância. Estes fatores são reunidos do seguinte modo: P = ∆ p ∆ p = diferença de pressão entre as extremidades do tubo L L = distância entre as extremidades Ou seja, grandes árvores requerem grandes gradientes de pressão para que a subida da seiva aconteça. Reunindo todos os elementos, a lei de Poiseuille completa é assim definida: F = pi r 4 x ∆ p (pi= 3,1426) 8η x L Há mais um detalhe importante: esta lei se aplica apenas para tubos horizontais. Para a correta transposição desta Lei para os vegetais, devemos lembrar que a gravidade tenderá a puxar a coluna para baixo, e assim, há necessidade de uma força adicional para vencer a força da gravidade, que é de 1 atm = 0,1 MPa para cada 10 m de comprimento vertical do tubo. Cálculos (*) têm indicado que para o movimento da água em um vaso de xilema de 40 µm de diâmetro, a uma velocidade de 4 mm s-1, seja requerido um ∆p= 0,02 MPa m-1, necessários para vencer as resistências do movimento de água inerentes à estrutura dos tecidos condutores, como superfícies irregulares nas paredes, perfurações, etc. No entanto, somada a essas resistências, existe a força da gravidade, que é de 0,01 MPa m -1. Sendo assim, se forem consideradas árvores de grande porte como a sequoia (Sequoia sempervirens), cujo movimento de água das raízes até as folhas pode envolver distâncias de cerca de 100m, estima-se a necessidade de ∆p = 3,0 MPa (0,02 + 0,01= 0,03 MPa m-1 x 100 m= 3 MPa), para vencer o somatório de todas as resistências. Este valor é bastante alto, e este movimento só é possível porque o xilema é um tecido reforçado, que pode resistir aos grandes gradientes de pressão existentes. * A elaboração das pressuposições, equações e cálculo podem ser encontrados na internet (www.plantphys.net) Os cálculos também deixam claro que os vasos condutores com maior calibre são os mais apropriados. Contudo, à medida que o sistema condutor aproxima-se e penetra nas folhas, o diâmetro dos vasos vai se Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 26 tornando cada vez menor, até atingir a dimensão de um microcapilar dentro da câmara subestomática (que representa o final do sistema condutor). Portanto, está matematicamente provado que o fluxo em massa não pode explicar como a seiva mineral percorre as folhas, sendo que há outro mecanismo relacionado com este movimento. 3. CONDUÇÃO E PERDA PELAS FOLHAS Os minúsculos vasos que atingem a câmara subestomática (de diâmetro da ordem de 0,1 µ m ), devido ao seu tamanho são denominados MICROCAPILARES. Estes microcapilares correspondem ao final do filme de água que sai do solo e segue coeso por todo o vegetal. Quando um tubo capilar (p. ex, uma pipeta) é colocado verticalmente num béquer contendo líquido, ocorre um PUXÃO, resultando na subida de líquido no tubo. Este fenômeno é conhecido como PUXÃO (FLUXO) CAPILAR (Figura 6.2), que é exatamente o que ocorre nas folhas dos vegetais (Figura 6.3), e é definido pela fórmula: h = altura (cm) suportada pelo tubo capilar h = 2 S S = superfície de tensão do líquido (dyna/cm2) rdg r = raio do tubo (cm) d = densidade do líquido (g/cm3) g = aceleração causada pela gravidade (98 cm/seg2) A força S indicada refere-se à energia disponível para a realização deste trabalho. Sendo o fluxo capilar um fenômeno de tensão superficial, o puxão deve ocorrer na superfície da água, e desde que o sistema de água na planta é contínuo da mais baixa raiz até a mais alta folha, a superfície superior da coluna de água está nas folhas, mais precisamente nos microcapilares da câmara subestomática, sendo aí que ocorre o PUXÃO causado pela TRANSPIRAÇÃO; assim, o fenômeno físico é mais bem caracterizado pelo nome de PUXÃO TRANSPIRACIONAL. Sendo o raio dos microcapilares na ordem de 0,1 µm, conclui-se que o puxão transpiracional consegue sustentar uma coluna de 300 m de altura! Portanto, o processo de absorção e subida da seiva tem 3 etapas (Figura 6.3): (1) Transpiração: perda de água na forma de vapor pelos microcapilares, os quais ficam parcialmente secos, o que vai causar uma subida capilar.... (2) Subida capilar dos filamentos de água, resultante das forças de adesão entre a água e a parede celulósica (devido às cargas negativas da parede), e com isso há um fluxo em massa.... (3) Fluxo em massa, com toda a coluna de seiva subindo como um corpo único, devido à coesão das moléculas de água. Estas três fases, naturalmente, ocorrem ao mesmo tempo. O assim chamado puxão capilar é causado pela transpiração, e a coluna de seiva é puxada como se fosse sólida. Este conceito geralmente é conhecido como a "Teoria da Coesão-Tensão de Ascensão da Seiva” (teoria da coesão-tensão de Dixon). Observe que o puxão transpiracional se encarrega de causar a ´divergência´ da pressão, necessária para construir o gradiente de pressão, que é a força motora para o Fluxo em Massa. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 27 Deste modo, devemos compreender que a ANATOMIA, a FISIOLOGIA e a FÍSICA interagem perfeitamente para conjugar as características estruturais dos órgãos (raiz, caule e folhas) ao evento que ocorre em cada um (absorção, condução e perda de água), conferindo uma explicação física para cada evento (osmose, fluxo em massa, fluxo capilar). 4. PRESSÃO DE RAIZ x PUXÃO TRANSPIRACIONAL Embora o puxão transpiracional seja o grande impulso motor para a subida de água na planta, certos eventos ocorrem independentemente dele: – durante a noite, algumas plantas produzem gotículas líquidas nas margens de suas folhas. Este processo é denominado gutação, e ocorre através dos hidatódios; – com o uso de fitotensiômetros, é possível observar que durante a noite há uma recuperação da turgescência da planta, expressa pelo aumento do diâmetro do caule; – plantas que passam por uma época do ano sem folhas, p. ex, a videira, precisam preencher seus vasos novamente, antes de retomarem seu metabolismo. Sob tais situações, a subida da coluna de água no vegetal é explicada pela presença da Pressão de Raiz, que exerce uma força capaz de causar um fluxo em massa: Fr = K X Pr Onde Fr = fluxo causado pela força da pressão de raiz, e Pr= pressão de raiz (ΨW solo - ΨW vaso) Devido às variações das condições ambientais, a pressão da raiz varia continuamente durante o dia e entre as estações do ano; existem diferenças também entre espécies. Os valores medidos (entre 0,05 a 0,5 MPa) não são suficientes para explicar como a seiva pode chegar ao topo de uma árvore de 100 metros (que requer 3 MPa de pressão), mas pode explicar para uma árvore de 10-15 metros. Deste modo, embora fique demonstrado que o Puxão Transpiracional seja extremamente importante, não se pode descartar a função da PRem algumas situações específicas. De um modo geral, a seiva é preferencialmente PUXADA (de cima para baixo), do que EMPURRADA (de baixo para cima) no caule. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 28 Figura 6.1: Transporte de Longa Distância. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 29 Figura 6.2: Ocorrência do fluxo capilar num sistema físico. Figura 6.3: A subida da seiva como resultado do puxão transpiracional, em três etapas. (1) transpiração (através da abertura estomática indicada); (2) evaporação a partir dos microcapilares para o espaço intercelular; (3) dessecação parcial da água da superfície da parede celular; (4) filme de água atraído pelas forças de embebição da parede celular parcialmente seca; (5) todo o filme de água sobe junto, devido às forças de coesão entre as moléculas de água. ********************************************************************************************************************************** CAPÍTULO 07 – TRANSPIRAÇÃO *********************************************************************************************************************************** 1. INTRODUÇÃO A água é a substância mais abundante dos tecidos vegetais; apesar disso, a parte aérea retém apenas uma porção muito pequena da água absorvida. Sabemos que a transpiração vegetal é importante, pois exerce efeito redutor da temperatura; promove o puxão transpiracional, e promove a distribuição da seiva mineral para as diferentes partes da planta. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 30 Contudo, há um bom tempo, vários pesquisadores tem contra-argumentado estes pontos, afirmando que, embora o resfriamento seja benéfico, folhas sob pleno sol raramente são injuriadas por temperatura elevada quando a transpiração é reduzida; muitas plantas se desenvolvem bem na sombra e em hábitats úmidos, onde a transpiração é baixa; e experimentos com elementos marcados mostram claramente que os nutrientes continuam circulando na planta mesmo na ausência de transpiração. Assim, modernamente, considera-se que a evolução da estrutura das folhas parece ter favorecido o processamento interno da fotossíntese, possibilitando a entrada e rápida difusão do dióxido de carbono pelos estômatos abertos, em detrimento de uma diminuição na taxa transpiratória. Não há como as plantas excluírem a perda de água sem, simultaneamente, obstarem a entrada de dióxido de carbono. Portanto, apesar de representar uma aparente ineficiência em conservar água, na verdade a transpiração representa um trabalho fundamental realizado pela planta, cujos aspectos mais importantes serão agora estudados. A Figura 7.1. ilustra o processo de transpiração. 2. DEFINIÇÃO E COMPONENTES A transpiração é a perda de água pelas plantas na forma de vapor, devido a um gradiente de concentração de vapor de água entre a câmara subestomática e o ar atmosférico. Difere do processo físico de evaporação porque o vapor de água não sai de uma superfície livre, mas deve passar por uma epiderme, que no caso dos vegetais, apresenta cutícula e estômatos. A transpiração total (TT) é definida pela soma: TT = TC + TE, onde TC é a transpiração cuticular; ocorre por toda a superfície da folha, é controlada apenas pela estrutura da cutícula, e acontece de forma constante; e TE é a transpiração estomática, sendo o componente controlável da transpiração. Os estômatos atuam como verdadeiras válvulas, que abrem e fecham de acordo com as condições internas e, principalmente, externas ao vegetal (luz, temperatura, suprimento hídrico, entre outros). Experimentos de aula prática demonstrarão alguns efeitos do ambiente sobre a taxa de transpiração de diferentes plantas. 3. ESTRUTURA ESTOMÁTICA O estômato é constituído por um par de células-guarda, de formato reniforme (o mais comum) ou de halteres (gramináceo). A porção da parede que circunda o poro estomático (ostíolo) é espessada, podendo atingir até 5 μm de espessura, diferentemente das paredes típicas da epiderme (com 1 a 2 μm de espessura). Associado ao espessamento parcial da parede, encontra-se o alinhamento de microfibrilas de celulose, dispostas radialmente ao poro nos estômatos reniformes ou obliquamente ao eixo da parede espessada, nos estômatos gramináceos. O poro de um estômato aberto tem, em média, 5 a 15 μm de largura por cerca de 20 μm de comprimento. As células-guarda possuem cloroplastos, bem como mitocôndrias maiores e em maior número que os das células epidérmicas (células subsidiárias). Os estômatos podem estar presentes só na face superior da folha (plantas aquáticas), só na inferior (na maioria das plantas), ou em ambas as faces (principalmente nas plantas cultivadas); chamadas respectivamente de epi-estomáticas (ou epistomáticas), hipoestomáticas e anfiestomáticas. O número é bastante variável, e quando todos estão abertos, perfazem cerca de 0,5 a 2% da área total da folha. Há uma regra ecológica que diz: “Quanto mais severas forem as condições de oferecimento de água, maior é o número estomático que a folha apresenta”. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 31 Quadro 7.1: Número médio de estômatos (mm2) na folha de diferentes plantas (Borgatto, 1993). Plantas Superfície Inferior Superfície Superior Cafeeiro 022,20 - Cajueiro 045,33 - Copo-de-leite 846,66 036,86 Eucalipto 225,33 121,33 Laranjeira 369,73 - Pereira 112,16 - Pitangueira 776,86 - 4. FECHAMENTO E ABERTURA ESTOMÁTICA DIURNA (FOTOATIVA) Depende da ocorrência de dois mecanismos: um físico e um químico. MECANISMO FÍSICO: É chamado de hidroativo, pois depende do aumento da turgescência das células-guarda, que fornece a força necessária para a abertura estomática, conforme Figura 7.2. A orientação das microfibrilas de celulose causa a abertura física do poro (Figura 7.3). MECANISMO QUÍMICO: Conforme mostrado na Figura 7.2, para ocorrer ganho de água pelas células-guarda, é necessário que ocorra um desequilíbrio osmótico entre elas e as adjacentes. Como as células-guarda são providas de cloroplastos, acreditava-se que os produtos fotossintéticos deles provenientes fossem o agente osmótico em questão, mas há alguns problemas práticos quanto a isto: a abertura estomática geralmente é rápida, após a folha ser iluminada (entre 5 e 30 minutos), e a concentração da célula-guarda chega a triplicar neste período. A fotossíntese não poderia responder por este aumento neste curto espaço de tempo; o produto primário da fotossíntese não é osmoticamente ativo; e isto não explica a abertura estomática noturna. A verdadeira natureza química do agente osmótico ainda gera controvérsias. Há quatro teorias, sobre as quais comentaremos a seguir. Teoria de Scarth: a mais antiga. Foi observado que o amido de reserva das células-guarda desaparece durante a abertura estomática; Scarth conseguiu medir um aumento de açúcar em certas plantas e formulou a seguinte hipótese: AMIDO ↔AÇÚCAR. Teoria do K+ : Fisher et al. verificaram, com técnicas de radioautografia e isótopos marcados, que a [K+] aumenta nas células-guarda durante a abertura estomática,e decresce quando estes se fecham; e que plantas deficientes em potássio tem a abertura estomática restringida. O acúmulo de K+ exige energia, a qual seria proveniente da fotofosforilação cíclica (vide Capítulo 10, item 7). Teoria de Levitt: propõe que o amido degradado seria transformado em ácidos orgânicos, e que tais ácidos seriam neutralizados pela absorção, além do K+ (não identificado em algumas células-guarda), também de Na+ e Ca++, sendo necessário energia da fotofosforilação cíclica para essa absorção. Desta maneira, haveria um acúmulo de sais orgânicos, o suposto agente osmótico. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 32 Na + AMIDO → ÁC. ORGÂNICO → K+ → SAIS ORGÂNICOS Ca++ Durante a noite, sem formação de ATP para absorção dos íons, a reação seguiria o caminho inverso. Situação Atual (Talbot & Zeiger, 1998; Dietrich et al., 2001): Estudos do curso diário dos movimentos estomáticos em folhas intactas mostraram que o conteúdo de potássio nas células-guarda aumenta em paralelo com a abertura estomática no início da manhã, mas decresce no início da tarde sob condições nas quais a abertura continua a aumentar (Figura 7.4). O conteúdo de sacarose das células-guarda aumenta lentamente pela manhã, porém, com o efluxo de potássio, a sacarose torna-se o soluto osmoticamente ativo dominante, e o fechamento estomático no final do dia é acompanhado por um decréscimo no conteúdo de sacarose das células-guarda (Figura 7.4). Esta figura deve ser usada com sérias restrições, pois a curva de abertura estomática não corresponde à realidade! A necessidade de fases distintas da osmorregulação dominadas por potássio e sacarose não está esclarecida; o potássio pode ser o soluto preferido para a consistente abertura diária, que ocorre com o nascer do sol, e a fase da sacarose pode estar associada com a coordenação entre movimentos estomáticos e taxas de fotossíntese no mesofilo. A origem dos solutos osmoticamente ativos, atualmente, é prevista por 4 rotas metabólicas distintas: – absorção de potássio e de cloreto, acoplados à biossíntese de ácidos orgânicos, como o malato; – produção de sacarose a partir da hidrólise do amido preexistente; – produção de sacarose pela fixação fotossintética do carbono nos cloroplastos das células-guarda; – absorção de sacarose apoplástica gerada pela fotossíntese do mesofilo (será visto no Capítulo 09). Dependendo das condições ambientais, uma ou várias rotas podem ser ativadas, como se depreende dos estudos realizados com epidermes isoladas de cortes foliares. Nesta situação, foi demonstrando que não há absorção detectável de potássio, sendo que a abertura estomática depende exclusivamente da sacarose gerada pela fotossíntese das células-guarda. Será estudado, ainda, que a abertura estomática é dependente da luz azul e vermelha (captada por criptocromos e fitocromos, respectivamente), bem como há atuação hormonal, sobretudo do ácido abscísico. 7.5. ABERTURA ESTOMÁTICA NOTURNA (SCOTOATIVA) Plantas de regiões desérticas, e aquelas que possuem o metabolismo ácido (descrito pela primeira vez em Crassuláceas), para restringir as perdas de água abrem seus estômatos apenas durante a noite, quando captam CO2 para ser usado na fotossíntese durante o dia, em presença de luz. Para estas plantas, o mecanismo físico proposto para explicar a abertura estomática é similar ao proposto para a abertura fotoativa, mas a fonte de energia para o processo evidentemente é outro: a energia para a absorção ativa dos cátions seria conseguida via mitocôndrias, operando uma bomba de prótons (vide Capítulo 8, item 4.1); teoria proposta também por Levitt, mas ainda não totalmente esclarecida. Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 33 Figura 7.1: O processo de transpiração. Figura 7.2: Mecanismo físico da abertura estomática diurna (fotoativa) gerada pela pressão de turgescência (hidroativa). Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 34 Figura 7.3: Orientação espiralada das fibrilas de celulose. Este tipo de disposição permite que a célula-guarda possa expandir-se no sentido indicado pelas setas pontilhadas, causando um grande esforço, o que leva a um aumento na abertura entre as paredes adjacentes. Figura 7.4: Curso diário das mudanças no conteú- do de potássio e de sacarose das células-guarda de folhas intactas de Vicia faba (Talbot & Zeiger, 1998). Desprezar a curva de abertura estomática. *********************************************************************************************************************************** CAPÍTULO 08 – ABSORÇÃO DE SAIS E TRANSPORTE DE SOLUTOS ATRAVÉS DAS MEMBRANAS VIVAS *********************************************************************************************************************************** 1. INTRODUÇÃO Como visto anteriormente, as plantas devem retirar do meio em que vivem, além da água e oxigênio, também os sais minerais necessários. Estes sais entrarão em contato com a epiderme da raiz (ou da folha, no caso de plantas epífitas), e deverão atravessar primeiramente a membrana celulósica, um caminho que é relativamente facilitado pela presença dos free-space. Mas, para atingir o interior celular, estas substâncias devem atravessar as membranas vivas (celular e das organelas), as quais irão impor barreiras para a entrada destes elementos, garantindo que o ambiente interno permaneça relativamente constante, ainda que o meio externo sofra mudanças rápidas ou extremas (Figura 8.1). O movimento molecular e iônico de um local para outro é conhecido como TRANSPORTE. Quando nos referimos ao transporte de maior escala, como o transporte de sacarose das folhas para a raiz, através do floema, utilizamos o termo Transporte de Longa Distância, ou Translocação (novamente: ficar atento à semelhança dos nomes, conforme visto no Capítulo 6). Os processos que controlam o transporte iônico no vegetal ainda não são totalmente esclarecidos, e constituem um dos assuntos mais complexos dentro da Fisiologia Vegetal. Assim, o intuito é mostrar um painel sobre o estado de arte nesta área, sem querer encerrar a discussão sobre ela. As informações foram compiladas de Taiz & Zeiger (2013) e Kerbauy (2004). Conforto, E.C., 2014 UNESP-IBILCE-DZB-Fisiologia Vegetal 35 2. MECANISMOS PASSIVOS E ATIVOS DE TRANSPORTE DE SOLUTOS O movimento espontâneo de um soluto de qualquer substância ocorre ao longo do gradiente de energia livre, ou seja, de um local de maior para um de menor energia. Contudo, a presença das membranas vivas, seletivamente permeáveis, pode impor barreiras a alguns destes solutos, e por este motivo, nem todos poderão entrar sem gasto de energia. O transporte de solutos para o interior celular ocorre segundo alguns mecanismos, mostrados resumidamente na Figura 8.2. Dentre os que não exigem gasto de energia, ou seja, são processos passivos porque ocorrem a favor de um gradiente de potencial eletroquímico (cuja definição será vista a seguir), temos: (1) Difusão;
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