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AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 36 METABOLISMO DE SAIS MINERAIS Os estudos de nutrição mineral foram iniciados na antiguidade com Aristóteles (350aC) que desenvolveu a Teoria do húmus. Esta teoria postulava que a base da alimentação das plantas era o húmus. Esta teoria persistiu até o século XIX, apesar de ser questionada desde o século XVI, pois muitos pesquisadores ainda acreditavam que o carbono era fornecido pelo solo. Somente em 1804 Saussure demonstrou que as plantas absorviam o CO2 atmosférico; obtinham o hidrogênio e o oxigênio da água e os outros nutrientes eram fornecidos pelo solo. No início do século XIX, Sprengel desenvolve estudos pioneiros em química agrícola e em 1828 formula a Lei do Mínimo. Mas até o final do século XX se acreditava que a Lei do Mínimo fosse de autoria de Liebig (1840 e 1855), que sistematizou toda a informação disponível na época sobre a importância dos elementos minerais na vida das plantas, utilizando inclusive os trabalhos de Sprengel. Mas em 1999 quando Ploeg et al redescobriram os trabalhos de Sprengel a denominação da lei foi alterada para Lei do Mínimo de Sprengel-Liebig. Esta lei estabelece que “o crescimento de um organismo é limitado pelo elemento essencial que está presente na concentração inferior ao requerido por este organismo”. Graças a esse conhecimento, no final do século XIX, a adubação com NPK (nitrogênio, fósforo e potássio) já era comum na Europa, impulsionando grandemente a produção agrícola. Além do C, O, H (dominantes, pois constituem entre 90 a 95% da matéria seca) vários outros elementos têm um importante papel no crescimento e desenvolvimento normal das plantas. Estes podem ser absorvidos a partir da forma inorgânica e serem usados pelas plantas em suas estruturas e em vários processos (Tabela 1). Esses elementos podem ser classificados em macro e microelementos ou macro e micronutrientes. Os macronutrientes são elementos necessários em grandes e facilmente mensuráveis quantidades (acima de 1000 mg/kg matéria seca). São em nove, destes três são não minerais (H, O, C) e sete são minerais (N, K, Ca, Mg, P e S). Os micronutrientes, também conhecidos como elementos traço, são necessários ao crescimento normal das plantas em pequenas quantidades (até 100 mg/Kg matéria seca). São sete (Cl, B, Fe, Mn, Zn, Cu, Ni e Mo). AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 37 Tabela 1: Macro e micronutrientes encontrados nas plantas, adaptado de Salisbury & Ross, 1991. Elemento Símbolo Químico Conteúdo (mmol/Kg MS) Conteúdo (g/Kg MS) Forma disponível Nº de átomos (�molib.) Hidrogênio H 60000 60 H2O 60×106 Carbono C 40000 450 CO2 40×106 Oxigênio O 30000 450 O2, H2O, CO2 30×106 MACROELEMENTOS Nitrogênio N 1000 15 NO-3, NH+4 1×106 Potássio K 250 10 K 0,25×106 Cálcio Ca 125 5 Ca-2 0,13×106 Magnésio Mg 80 2 Mg+2 0,08×106 Fósforo P 60 2 H2PO-4, HPO4-2 0,06×106 Enxofre S 30 1 SO4-2 0,03×106 MICROELEMENTOS Cloro Cl 3 0,1 Cl- 3000 Boro B 2 0,02 Fe+3, Fe+2 2000 Ferro Fe 2 0,1 H3BO3 2000 Manganês Mn 1 0,05 Mn+2 1000 Zinco Zn 0,3 0,02 Zn+2 300 Cobre Cu 0,1 0,006 Cu+, Cu+2 100 Níquel Ni 0,002 0,0002 Ni-2 2 Molibdênio Mo 0,001 0,0001 MoO4-2 1 AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 38 Mas como sabemos que entre os 115 elementos da tabela periódica só estes 17 são essenciais às plantas? Para isso utilizamos critérios de essencialidade. São quatro critérios, por ordem de prioridade: 1. Um elemento é essencial quando a planta é incapaz de completar seu ciclo vital sem este elemento; 2. Um elemento é considerado essencial se for parte insubstituível de alguma molécula ou constituinte necessária ao metabolismo das plantas; 3. Se o elemento é essencial ele deve agir diretamente dentro da planta e não atuar inibindo ou provendo a absorção de outro íon, este sim essencial; 4. Um elemento é considerado essencial se na sua ausência a planta desenvolve sintomas de deficiência mesmo que produza sementes viáveis. Os nutrientes minerais podem ser classificados também de acordo com a função que exercem na planta (Tabela 2). Há outros tipos de classificações na literatura científica, uma vez que os elementos exercem geralmente mais de uma função. Tabela 2:Classificação do nutrientes minerais de acordo com função, adaptado de Raiz & Zeiger 1998. GRUPO FUNÇÃO Grupo 1: Nutrientes que formam compostos orgânicos nas plantas: N Componente de aminoácidos, amidas, proteínas, ácidos nucléicos, nucleotídeos, coenzimas, hexoamina S Componente da cisteína, cistina, metionina, proteínas. Constituinte do ácido lipóico, coenzima A, tiamina pirofosfato, glutationa, biotina, adenosina 5’fosfosulfato e 3-fosfoadenosina. Grupo 2: Nutrientes que são importantes no armazenamento ou integridade estrutural P Componente de açúcar fosfato, ácidos nucléicos, nucleotídeos, coenzimas, fosfolipídios, ácido fítico, etc. Papel chave em reações que envolvem ATP. B Complexo com manitol, mananos, ácido polimanurônico e outros constituintes da parede celular. Envolvido no alongamento celular. AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 39 Grupo 3: Nutrientes que permanecem na forma iônica K Cofator para mais de 40 enzimas. Principal cátion no estabelecimento da turgescência e manutenção da eletroneutralidade celular. Mg Necessário para muitas enzimas envolvidas na transferência de fosfato. Constituinte da molécula de clorofila. Ca Constituinte da lamela média. Cofator de algumas enzimas envolvidas na hidrólise de ATP e fosfolipídios. Mensageiro secundário no metabolismo regulatório. Mn Essencial para atividade de hidrogenases, descarboxilases, quinases, oxidases, peroxidases. Envolvido no relógio de oxidação da água. Cl Relógio de oxidação da água. Constituinte de mais de 130 compostos (cloroindol acético). Essencial para raízes, divisão celular em folhas. Grupo 4 Nutrientes envolvidos na transferência de elétrons Fe Citocromo e proteínas ferro não heme da fotossíntese, fixação de nitrogênio e respiração. Cu Ácido ascórbico oxidase, tirosinase, monoamina oxidase, uricase, citocromo oxidase, fenolase, lacase e plastocianina. Zn Álcool desidrogenase, desidrogenase glutâmica, anidrase carbônica, etc. Mo Nitrogenase, nitrato redutase e xantina desidrogenase. Ni Urease, hidrogenases (em linhagens de Rhizobium H up+) Classificação dos elementos de acordo com a mobilidade no floema: Os elementos absorvidos pelas raízes movem-se para cima através do xilema. A maioria deve ser redistribuída via floema. Somente alguns poucos não são, provavelmente por não poderem entrar nos tubos crivados. (Tabela 3). Os elementos classificados na categoria altamente móvel prontamente e distribuídos pelo floema. Na categoria pouco móveis enquadram-se os elementos que apresentam mobilidade diferenciada no floema dependendo da espécie. Os muito pouco móveis são elementos imóveis no floema. Esses elementos só são redistribuídos através do floema se formarem complexos com substâncias orgânicas. O boro forma complexos com açúcares-álcool AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 40 (sorbitol, manitol ou dulcitol) e o Ca é transportado via apoplasto em frutos ou com AIA, no transporte polar. Tabela 3: Mobilidade diferencial dos diferentes nutrientes minerais no floema (segundo Epstein e Bloom, 2006). ALTAMENTE MÓVEL POUCO MÓVEL MUITO POUCO MÓVEL Nitrogênio Enxofre Cálcio Fósforo Cobre Boro Potássio Ferro Magnésio Manganês Cloro Níquel Molibdênio Zinco Obs: Alguns pesquisadores como Furlani (2004) classificam esses elementos como alta mobilidade, mobilidadevariável e mobilidade condicional Transporte no xilema: Os elementos minerais são transportados no xilema em resposta principalmente às taxas de transpiração. Para o nitrogênio O transporte via xilema varia em função da forma do nitrogênio absorvido pelo sistema radicular (NO3- ou NH4+), e do tipo de metabolismo da raiz. Já o fósforo que o é transportado via xilema é basicamente a mesma da absorção (H2P04-). O potássio apresenta alta mobilidade nas plantas, em todos os níveis, dentro da célula, dentro dos tecidos. É transportado na forma iônica a longa distância via xilema e floema; §§Ca: É transportado via xilema também na forma divalente (Ca2+). Ascende no xilema às custas de reações de troca catiônica no xilema devido a superfície da parede celular do xilema possuir cargas predominantemente negativas; §§Mg: É transportado na seiva xilemática na mesma forma que é absorvido (Mg2+). §§S: transporte predominante na forma de S02-4. AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 41 Necessidades quantitativas e Crescimento A partir do conhecimento das funções que os nutrientes minerais exercem nas plantas, torna-se evidente que o crescimento das mesmas ocorrerá também em resposta à disponibilidade do nutriente no ambiente no qual se desenvolvem. Na figura 1 (extraída de Epstein, 2006), estão sumarizadas as alterações no crescimento das plantas de acordo com a concentração do nutriente. Na zona de deficiência os elementos estão presentes em baixas concentrações e um incremento na concentração leva a uma resposta de crescimento dramática. A concentração crítica corresponde à concentração mínima no tecido que fornece quase que todo o crescimento máximo (90%). A zona de transição refere-se à passagem da zona de deficiência para a zona adequada. A zona adequada é considerada uma zona de luxúria, o elemento é consumido sem restrições e é armazenado nos vacúolos. A última é a zona tóxica, onde o incremento contínuo do elemento leva à toxidez e redução no crescimento. AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 42 Figura 1: Respostas de crescimento das plantas de acordo com a concentração de um nutriente em seus tecidos (extraído de Epstein e Bloom 2006). FUNÇÕES DOS ELEMENTOS E SINTOMAS DE DEFICIÊNCIA De uma maneira geral os sintomas de deficiência estão intimamente ligados ao papel dos nutrientes em nível celular. Assim de acordo com o papel desempenhado os elementos podem ser estruturais, pois fazem parte da estrutura de importantes compostos; regulatórios, pois possuem papel na ativação enzimática e balanceadores osmóticos, pois contribuem para o estabelecimento de potencial osmótico, que induzem a uma pressão de turgescência, utilizada para manutenção da forma, aceleração do crescimento e indução de movimentos dependentes da pressão. Os sintomas de deficiência nas plantas são dependentes de uma das funções listadas acima, mas também da mobilidade dos nutrientes das folhas mais velhas para as folhas mais jovens. AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 43 NITROGÊNIO: o componente principal do protoplasma e enzimas. Entre suas principais funções podemos citar o seu papel como ligante de íons metálicos, principalmente na forma de anéis heterocíclicos, como na clorofila. Além disso o nitrogênio é necessário para a síntese de ácidos nucléicos e proteínas, pois é importante na formação da ligação peptídica entre os resíduos de aminoácidos, permitindo a formação das proteínas. Participa também na formação de pontes de hidrogênio, estabilizando e dando a conformação apropriada as proteínas (enzimas) e ácidos nucléicos. A quantidade para o crescimento ótimo varia entre 2 a 5% do peso da planta. Por isso uma grande quantidade de nitrogênio precisa ser absorvida pelas raízes. As principais formas de absorção são NO3-, NH4+, uréia e N2. O NO3- é a forma predominante, mas depende da espécie, do pH, temperatura e teor de carboidratos nas raízes. Em pHs próximos da neutralidade, o NH4+ é o mais absorvido e cai à medida que o pH diminui. Temperaturas mais baixas também favorecem a absorção de NH4+. ltos teores de carboidratos a absorção de NH4+ é favorecida (talvez pelo maior suprimento de carbono e energia para assimilação do NH3). A uréia pode ser absorvida diretamente pelas raízes e folhas das plantas, mas geralmente sua absorção é menor que a do NO-3. O N2 é absorvido através de associações com bactérias fixadoras de nitrogênio. Após ser absorvido o nitrogênio é transportado via xilema. O transporte via xilema varia em função da forma do nitrogênio absorvido pelo sistema radicular, e do tipo de metabolismo da raiz. Quando a planta absorve NH4+ pelo sistema radicular, este deve ser imediatamente metabolisado por ser um cátion muito tóxico em nível celular. Normalmente, o NH4+ é assimilado em compostos orgânicos no sistema radicular e transportado como aminoácidos. A concentração de NO3-, encontrada no xilema, vai depender predominantemente da capacidade de redução deste íon no sistema radicular.O N é facilmente redistribuído na forma de aminoácidos via floema para as partes novas, principalmente para as folhas jovens e para as regiões meristemáticas. AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 44 Como é altamente móvel no floema, os sintomas de deficiência irão aparecer primeiro nas folhas mais velhas e inferiores, que são as mais afetadas. Ocorre clorose geral. Nos casos mais severos as folhas tornam-se amarelas e caem ou se tornam castanhas, caindo a seguir. As folhas mais jovens permanecem jovens por mais tempo. Em algumas plantas como tomate e milho os pecíolos, caules e face inferior das folhas tornam-se púrpura (acumulação de pigmentos antocianinas). O crescimento da parte aérea é lento e por isso a razão parte aérea /raiz é baixa. A floração é acelerada e os frutos apresentam-se intensamente coloridos. Quando em excesso as folhas tornam verdes escuras e a folhagem é abundante. O sistema radicular é mínimo (alta razão parte aérea/raiz). Na batata, a folhagem é abundante, e os tubérculos são pequenos. Nos frutos maduros de tomate ocorrem rachaduras. Em várias culturas agrícolas, a floração e formação de sementes são retardadas. FÓSFORO: O fósforo é um elemento constituinte da estrutura molecular (nucleotídeos DNA e RNA). É parte essencial de muitos açúcares fosfatos e fosfolipídeos das membranas. Forma ligação diéster entre um diglicerídeo e outras moléculas (aminoácidos, amina ou álcool). Tem papel no armazenamento e transferência de energia (ATP, ADP, AMP e PPi), na forma de ésteres fosfato (C-P) e fosfatos de alta energia (são intermediários na rota metabólica da biossíntese e degradação). Possui função regulatória, representada pelo fosfato inorgânico, que pode ser um substrato ou um produto final, o ATP pode ser quebrado em ADP e Pi. Um exemplo dessa função é o balanço entre sacarose e amido gerados pela fotossíntese. A sacarose é sintetizada no citoplasma a partir de trioses formadas no ciclo de Calvin. Para deixar o cloroplasto a triose fosfato é trocada pelo Pi. Quando a concentração de Pi aumenta muito no cloroplasto e cai muito no citoplasma, a triose não pode mais ser trocada e acumula-se amido no cloroplasto. Outra função importante é a de reserva. As sementes e frutas podem armazenar fosfato como fitato. AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 45 O processo de absorção do fósforo é ativo, geralmente o fósforo entra na célula contra o gradiente de concentração. A presença de magnésio no meio favorece a absorção de fósforo (efeito sinérgico), dependendo do pH. A forma de absorção de fósforo é dependente do pH. Em pHs abaixo de 7,0 é absorvido como H2PO4-.Em pHs entre 6.8 e 7.2 é absorvido como HPO4-2 , mas em PHs mais alcalinos forma complexo insolúvel com alumínio e ferro. Já o HPO4-3 em pH 8.0 forma precipitado com cálcio e magnésio. Ao contrário do N e S o P nunca sofre redução dentro da planta (fosfato livre ou ligado a formas orgânicas como ésteres). O fósforo é transportado via xilema é basicamente a mesma da absorção, H2P04-.Por ser altamente móvel, é facilmente distribuído no floema. As formas que podem ser encontradas no floema são: fosforil colina e Pi. Em plantas bem supridas de fósforo o vacúolo armazena a maior parte do Pi total da planta (85 a 95%). MasQuando há redução no suprimento de fósforo para a planta o Pi é redistribuído principalmente das folhas velhas para as novas, apresentando como conseqüência desta redistribuição, sintomas de deficiência inicial nas folhas velhas, que se tornam marrons escuras e caem. As plantas são atrofiadas, com coloração verde-escura ou azul-esverdeada. Em algumas espécies ocorre acúmulo de antocianina (cor púrpura). A maturidade é atrasada. Mas quando há excesso de fósforo, a maturidade é acelerada e o crescimento das raízes é favorecido (baixa razão parte aérea/raiz). Em Poinsetias ocorre redução do crescimento da planta e do tamanho das brácteas. Ocorre indução de deficiência por ferro, cobre, manganês e zinco. POTÁSSIO: O potássio é ativador de muitas enzimas essenciais para fotossíntese e respiração, de enzimas de síntese de amido e de proteínas; da nitrato redutase e H+-ATPase ligada a membrana. Esta ativação facilita o transporte de K da solução externa através da membrana plasmática para dentro das células radiculares e torna o K o elemento mineral mais importante na expansão celular e na osmorregulação. Possui papel no potencial osmótico (pressão de turgescência) especialmente em nível de estômatos. O K está diretamente envolvido na regulação do potencial osmótico da célula, e portanto da AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 46 expansão celular, abertura e fechamento dos estômatos. É o íon acompanhante para o fluxo de H+ através da membrana do tilacóide induzido por luz e para o estabelecimento do gradiente de pH transmembrana para a síntese de ATP (fotofosforilação), em analogia a síntese de ATP na mitocôndria. O potássio não faz parte permanente de nenhum composto orgânico, ou seja,não possui função estrutural.A absorção de potássio é altamente seletiva e está intimamente acoplado a atividade metabólica. É absorvido pelas raízes na forma iônica (K+). Por ser um íon monovalente e ao competir com elevadas concentrações de cátions divalentes como o Ca+2 e o Mg+2 sofre inibição competitiva. Mas baixas concentrações de cálcio contribuem para sua absorção (efeito sinergístico). O potássio é transportado na forma iônica K+ via xilema.Como o potássio apresenta uma alta mobilidade nas plantas, em todos os níveis, dentro da célula, dentro dos tecidos é redistribuído via floema, os sintomas de deficiência aparecem primeiro nas folhas mais velhas. Em dicotiledôneas as folhas mais velhas tornam-se cloróticas, com lesões necróticas (manchas mortas). Em muitas espécies as margens tornam-se cloróticas, mas a região central torna-se verde-escura ou verde-azulada. Em monocotiledôneas as células do ápice e das margens das folhas morrem antes e a necrose se espalha em direção à base da folha. Os caules são fracos e as raízes tornam-se suscetíveis à infecção por microorganismos e em resposta ocorre o fenômeno conhecido como acamamento (as plantas tombam no solo). Quando está em excesso a concentração crítica para causar toxidez depende do íon acompanhante e da planta. A forma menos tóxica é o K2SO4 e o KCl é mais tóxico devido ao efeito salino. CÁLCIO: O cálcio é essencial para o funcionamento normal das membranas, estabilizando-as através da ligação entre fosfatos e grupos carboxílicos de fosfolipídios e proteínas, na sua superfície. Ativa a calmodulina, ao ligar-se a ela. Então o complexo Ca–calmodulina ativa muitas enzimas. Interage com pectinas de parede celular, estabilizando redes de pectinas hidrofílicas, reforçando a parede celular dos tecidos das plantas. O crescimento do tubo AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 47 polínico na germinação do grão de pólen é dependente da presença do Ca+2 no substrato, e a direção do seu crescimento é controlado quimiotropicamente pelo gradiente de cálcio extracelular. Além dessas funções o cálcio ainda participa da osmorregulação das células e no balanço cátion-ânion.O cálcio é absorvido do solo na forma divalente (Ca+2); Possui baixa mobilidade no solo e na planta, desta forma, a região de absorção se resume apenas nas extremidades das raízes A presença de outros cátions (K+, Mg+2 e NH4+) diminuem a absorção do Ca+2. Após ser absorvido pelas raízes é transportado via xilema também na forma divalente (Ca+2). Como é imóvel ascende no xilema às custas de reações de troca com cargas negativas na superfície da parede celular do xilema, ou seja, o cálcio deve ser deslocado dos sítios de troca por outros cátions ou por ele mesmo.Devido a sua baixíssima mobilidade, os níveis de Ca+2 são baixos no floema e portanto, sua redistribuição na planta é baixa ou nula.Devido à falta de mobilidade, os efeitos são mais pronunciados nos tecidos jovens, especialmente nas zonas meristemáticas de raízes, caules e folhas, pois o Ca é necessário para a formação da lamela média entre duas células filhas. Os tecidos jovens tornam-se retorcidos e deformados. As zonas meristemáticas morrem antes. Em tomate e melancia, a base apodrece durante o amadurecimento, doença conhecida como podridão estilar ou fundo-preto. O Ca+2 não permanece livre no citoplasma, é estocado nos vacúolos, formando precipitados, como oxalatos, carbonatos, fosfatos ou sulfatos. Se o cálcio permanecer livre no citoplasma forma sais insolúveis com ATP; inibe a corrente citoplasmática e muitas enzimas. Como é estocado no vacúolo e apresenta baixa mobilidade não há descrição de excesso em plantas. MAGNÉSIO: É necessário para a síntese de clorofila, é o átomo central da molécula de clorofila. Assim como o N, ele pode ser retirado da clorofila em folhas senescentes. É importante no metabolismo basal (fotossíntese, transferência de fosfatos e ativação enzimática), por ser ativador de enzimas da fotossíntese, respiração e formação de DNA e RNA; combinação com ATP (funcional) e da síntese protéica. Apresenta sinergismo com manganês e zinco.O magnésio é absorvido na forma de Mg+2, mas sua absorção é reduzida em altas AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 48 concentrações de cátions como o Ca+2, K+ e NH4+. Estes cátions concorrem pelo mesmo sítio ativo de absorção (inibição competitiva). Após ser absorvido o magnésio é transportado no xilema na mesma forma que é absorvido. Embora o magnésio seja um íon divalente como o cálcio, é bastante móvel no floema, sendo redistribuído facilmente.Como o magnésio é facilmente redistribuído via floema, os sintomas de deficiência aparecem primeiro nas folhas mais velhas, que apresentam clorose generalizada e clorose internerval. Em algumas espécies como algodoeiro, canola e algumas variedades de uva, as margens e entre as nervuras tornam-se avermelhadas. Com relação aos processos bioquímicos ocorre uma diminuição da proporção de N-protéico e aumento da proporção de N-orgânico solúvel (aminoácidos livres); diminuição da taxa de fotossíntese; diminuição do transporte de carboidratos para os órgãos de reserva e acúmulo dos mesmos nas folhas. Em cereais ocorre diminuição da formação de fitatos, os quais são substâncias de reserva de P nestas espécies. Concentrações acima de 15 a 35 g.kg-1 MS são excessivas no cioplasma, sendo que o excedente é estocado novacúolo. No vacúolo atua no potencial osmótico e no balanceamento de cargas do citoplasma. ENXOFRE: O enxofre é um dos constituintes dos aminoácidos cisteína e metionina e conseqüentemente de proteínas. 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). Participa da CTE da fotossíntese e da respiração, por meio de grupamentos Fe-S. A forma de enxofre no solo predominante é a do sulfato (S04-4), e é essa forma absorvida pelas raízes das plantas. Mas as plantas podem absorver via foliar (via estômatos), principalmente o S02 (sulfito) atmosférico. Além do sulfato, a planta pode absorver aminoácidos contendo enxofre como é o caso da cisteína e da metionina. No transporte a forma de enxofre predominante é o S02-4. O enxofre não é facilmente redistribuído das folhas mais velhas e tecidos maduros, mas a sua redistribuição está condicionada ao “status” da AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 49 nutrição nitrogenada da planta. Em algumas espécies a deficiência ocorre primeiro nas folhas mais jovens, especialmente quando há bom suprimento de nitrogênio; em outras ocorre primeiro nas folhas mais velhas, especialmente quando há baixo suprimento de nitrogênio; e em outras todas as folhas são afetadas ao mesmo tempo. Pode ocorrer clorose geral na folha inteira, inclusive nervuras. Em canola, os frutos são pequenos e com poucas sementes. Em ambientes poluídos os estômatos absorvem dióxido de enxofre (SO2) resultante da queima de carvão, madeira e óleo. Nas células, o SO2 transforma-se em HSO3- (bissulfito), que é inibidor da fotossíntese e destruidor das clorofilas. O HSO3- pode ainda ser oxidado a H2SO4, forma altamente tóxica para as plantas. Este fenômeno é conhecido como chuva ácida. FERRO: O ferro é parte integrante de 2 classes de proteínas as proteinas heme e as proteínas Fe-S. É cofator de muitas enzimas como a leghemoglobina e a catalase. O ferro também é necessário para a síntese da clorofila. É parte importante da CTE da respiração. Todos os componentes da CTE da respiração contêm Fe. A citocromo oxidase possui grupos prostéticos com 2 átomos de Fe e 2 de Cu. Também é parte importante da CTE da fotossíntese. O Cit b6f contêm grupos prostéticos heme; o FSII contém Fe não heme; o FSI contém 3 proteínas Fe-S (Fe-SX, Fe-SB e Fe-SA). A Fd contém 2 Fe e 2 S. A Fd pode transferir elétrons para a nitrito redutase, glutamato sintase e tiorredoxina redutase. (Fe+3) e ferrosa (Fe+2). Os íons Fe+3 (Fe+2), Zn, Mn e Cu são relativamente insolúveis na solução do solo, em pHs acima de 5,0. Nos sistemas arejados e no pH fisiológico o íon férrico (Fe+3) encontra-se em quelados orgânicos. A principal forma absorvida e utilizada no metabolismo é a ferrosa (Fe+2). Em exsudados do xilema o ferro parece ocorrer na forma não quelatizada, embora seu transporte seja controlado por citrato. Alguns pesquisadores afirmam que o Fe+3 é transportado complexado com citrato, uma vez que o Fe é praticamente imóvel dentro da planta, nos tecidos de plantas, formas móveis deste elemento tem sido identificadas como citratos e AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 50 ferrodoxinas solúveis. Tanto a absorção quanto ao transporte em plantas são fortemente afetados por fatores da planta e ambientais, tais como pH e concentração de cálcio e fósforoComo é praticamente imóvel, os sintomas são mais pronunciados em folhas mais jovens. Ocorre primeiro clorose internerval. A seguir a clorose se espalha para as nervuras. As folhas tornam-se completamente amarelas e nos casos mais severos as folhas se tornam brancas com lesões necróticas. A família Rosaceae é especialmente sensível à deficiência por Fe, além das espécies da família Poaceae, milho e do sorgo. A concentração crítica está entre 400 a 1.000 mg.kg-1 MS. A forma Fe+2 livre é tóxica tanto para o citoplasma como para organelas A forma Fe+3 precipita-se no apoplasto, e portanto não é tóxica para o citoplasma e organelas celulares. No arroz, podem aparecer manchas marrons nas folhas basais, iniciando-se pelos ápices (bronzeamento). A folhas inteira pode se tornar marrom, púrpura, amarela ou laranja, dependendo da variedade e as folhas de algumas variedades podem enrolar. CLORO: O cloro está presente em mais de 130 compostos, entre eles o hormônio vegetal da classe das auxinas, o ácido 4-cloroindolacético. É essencial para o processo de fotólise da água. É um soluto osmoticamente ativo. É essencial para raízes e para divisão celular em folhas. Também para atividade da H+- ATPase no tonoplasto. A absorção de cloro pelas raízes da solução do solo ocorre como Cl-. Mas a planta pode suprir grande parte de sua deficiência pela absorção via foliar (poluição do ar, contaminantes, chuva, etc). O cloro é transportado e redistribuído pela planta na mesma forma pela qual é absorvida. Devido à sua alta mobilidade o cloro é facilmente redistribuído no floema, por isso os sintomas aparecem primeiro nas folhas mais velhas, que assumem uma coloração bronzeada, murcham, desenvolvem lesões necróticas. O crescimento da planta torna-se reduzido e as raízes tornam-se atrofiadas no comprimento e espessas no ápice. Mas raramente ocorre deficiência de cloro no ambiente natural, sendo muito mais comum sintomas de AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 51 toxidez. A concentração crítica varia entre 3.000 a 5.000 mg.kg-1 MS para espécies sensíveis e 20 a 40 g.kg-1 MS para espécies tolerantes. MANGANÊS: As funções bioquímicas do manganês são semelhantes ao do magnésio. Possui papel estrutural no sistema de membranas dos tilacóides, estabilizando da estrutura dos cloroplastos. É componente do relógio de oxidação da água, responsável pela fotólise da água. Participa também da síntese de proteína e ácidos nucléicos, do metabolismo de fenóis (lignina) e do nitrogênio, da fotossíntese e da transferência de fosfatos. É ativador enzimático como oxidases. Participa também de alongamento e divisão celular. Apresenta sinergismo com magnésio e zinco. O manganês pode ser absorvido como Mn+2, Mn+3 e Mn+4. E absorvido pelo sistema radicular principalmente na forma divalente (Mn+2), provavelmente com gasto de energia metabólica. A absorção do manganês é inibida competitivamente na presença de altas concentrações de cátions. O seu transporte ocorre via xilema na mesma forma que é absorvida (Mn+2). Como é um elemento de mobilidade variável, os sintomas de deficiência podem ocorrer nas folhas novas ou mais velhas. Nas dicotiledôneas os principais efeitos são clorose internerval nas folhas mais jovens ou mais velhas, além de lesões necróticas, sintomas semelhantes aos estágios iniciais da deficiência por ferro. Nas monocotiledôneas, especialmente cereais, ocorrem pintas verde- acinzentadas e estrias na parte basal da folha. Ocorre uma desorganização das membranas dos tilacóides e abscisão de folhas. Como é um elemento de baixa mobilidade, a concentração em frutos, sementes e órgãos de reserva das raízes é muito baixa. Nas sementes das leguminosas ocorrem vários sintomas. Em ervilha os cotilédones tornam-se escuros e em outras espécies aparecem pintas e sementes partidas. A concentração crítica varia muito entre as espécies. No feijão é de 100 mg.kg-1 MS, no arroz inundado é de 5.000 mg.kg-1 MS. Os sintomas de toxidez por manganês no arroz aparecem como manchas marrons nas folhas mais. Os ápices das folhas secam, mas o crescimento vegetativo não é muito afetado. A produção de grãos é muito baixa por causa da alta esterilidadeEm AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 52 beterraba e fumo as folhas apresentam cloroseinternerval. Na beterraba as folhas tornam-se deformadas BORO: 1. Forma de absorção: B(OH)3 (ác. bórico); BO3-3 2. Principais funções: Formação e estabilização da parede celular. Possui papel essencial na ligação com pectinas de parede celular; Lignificação e diferenciação do xilema; Regulação do metabolismo de fenóis; de fitormônios e de RNA e DNA. Papel essencial no alongamento dos tubos polínicos. 3. Mobilidade: imóvel. 4. Principais sintomas: a. Deficiência Nas raízes ocorrem deformações devido ao espessamento de paredes celulares (por aumento de hemiceluloses e pectinas) e formação de calos. Em raízes de salsão e beterraba, a região central degenera (miolo mole). Na parte aérea as gemas terminais apresentam crescimento retardado (entrenós curtos) e folhas jovens deformadas com necrose e pecíolos espessados. Em hortaliças de cabeça (couve-flor, alface e repolho) a região central degenera (miolo preto). Queda de botões florais e frutos em desenvolvimento em manga e má- formação de frutos maçã e citros; Inibe a VPF, pois forma complexo com gluconato-6P. ZINCO: 1. Forma de absorção: Zn+2 2. Principais funções: essencial para formação da auxina AIA. É essencial para o funcionamento de muitas enzimas (mais de 80 enzimas considerando todos os organismos). 3. Mobilidade: variável AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 53 4. Principais sintomas: a. Deficiência Os principais efeitos são folhas pequenas e rosetas, como resultado da redução do crescimento em folhas jovens e entrenós do caule. As margens da folha são freqüentemente distorcidas e franzidas. Ocorre clorose internerval. COBRE: 1. Forma de absorção: Cu+2 em solos aerados e Cu+ em solos encharcados, devido à baixa quantidade de oxigênio. 2. Principais funções: Presente em muitas enzimas ou proteínas envolvidas nos processos de oxi-redução (ex. citocromo oxidase e plastocianina) 3. Mobilidade: variável 4. Principais sintomas: a. Deficiência: As folhas podem ficar cloróticas ou azul-esverdeada escuras com manchas necróticas, com margens retorcidas e mal-formadas. Os ramos jovens freqüentemente secam. Há redução na produção de matéria seca. Retardamento da floração e senescência. Ocorre desorganização no crescimento das plantas NÍQUEL: 1. Forma de absorção: Ni-2 (200ng.g-1) 2. Principais funções: é parte da enzima urease que catalisa a hidrólise de uréia a CO2 e NH4+. Essencial para leguminosas tropicais que produzem ureídeos. Essencial também para mobilização de compostos nitrogenados AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 54 durante a germinação. Como a quebra de bases púricas (adenina e guanina) ocorre via ureídeos em todas as plantas e folhas senescentes também acumulam ureídeos, o Ni foi aceito como essencial. 3. Mobilidade: variável 4. Principais sintomas: a. Deficiência: 1.Clorose marginal das folhas, senescência prematura. Em cereais as folhas são incapazes de se desenrolar e o ápice apresenta-se necrosado e acumula- se uréia. Clorose internerval e folhas verde-claras. 2. Em nogueira-pecã as folhas são pequenas, em forma de cálice (orelha de rato). 3. Redução na produção de sementes. Formação de sementes inviáveis em cevada, trigo e aveia. 4. Crescimento reduzido e a madeira quebradiça. MOLIBDÊNIO: 1. Forma de absorção: MoO4-2 (sais de molibdato) e MoS2. 2. Principais funções: Parte da enzima nitrato redutase e nitrogenase. Quebra de purinas (adenina/guanina) enzima xantina desidrogenase; parte da oxidase (aldeído do ABA � ABA). 3. Principais sintomas: a. Deficiência urease Ureídeos uréia CO2 + NH4+ AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 55 1.Clorose internerval das folhas mais velhas e posteriormente para as folhas mais novas; 2.Clorose marginal das folhas velhas e pontos necróticos; 3.Folhas reduzidas deformadas com ponta afilada; Elementos benéficos: Neste grupo são incluídos os elementos minerais que de alguma maneira melhoram o desempenho de alguns grupos de plantas, ou afetam a absorção de íons essenciais. Selênio (Se) - inibe a absorção de fosfatos em altas quantidades (tóxicas para a planta). Ex. Astragalus racemosus (Leguminosa). Esta espécie e outras do mesmo gênero (que são tolerantes e acumuladoras) são bioindicadoras de selênio. Mas para a maioria das plantas o Se é tóxico. Sódio (Na) - essencial (micronutriente) para muitas plantas C4 (Amaranthus tricolor, Atripex vesicata) e CAM. Em C4 a sua ausência provoca clorose (amarelecimento do tecido verde) e até necrose (tecido morto) nas folhas, além de não produzirem flores e frutos. Algumas CAM crescem mais rápido em presença de Na+. É essencial para regeneração do PEP. Em algumas halófitas (plantas nativas de solos salinos) o crescimento é favorecido por altas concentrações de NaCl. Nestas espécies o Na é considerado um macronutriente. Silício (Si): milho acumula silício em uma extensão de 1 a 4% de sua matéria seca. Outros exemplos: outras gramíneas (1 a 4% PS). Arroz e Equisetum arvense (cavalinha) � até 16% PS. Outras espécies: cana-de-açúcar, cevada, tomate, e pepino. Entretanto para a grande maioria das dicotiledôneas: - na sua ausência nenhuma planta deixou de produzir sementes viáveis. - nenhum papel essencial foi reconhecido - plantas de soja crescendo em ausência de Si acumulam altas quantidades de fósforo, tóxico em altos níveis. Possíveis papéis: AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 56 - menor transpiração, pois se acumula nas células da epiderme - confere rigidez e limita compressão, como no xilema. Evita acamamento em grãos de cereais, quando há vento ou chuva - reduz herbivoria por animais e insetos. Cobalto (Co): essencial para muitas bactérias. É necessário para a fixação de nitrogênio nas bactérias nos nódulos das leguminosas. (Componente da Vit B12). Toxidez e Micronutrientes Excesso de micronutrientes induz deficiência em outros. Micronutrientes em excesso inibem o crescimento de raízes porque se acumulam primeiro nas raízes. Especialmente Cu e Zn. Manganês em solos alagados induz aparecimento de manchas marrons por deposição de MnO2 e nervuras cloróticas. Mas esse sintoma poderia ser também de Fe, pois manganês em excesso induz deficiência de ferro e magnésio e cálcio, pois compete pelos mesmos sítios. Em relação ao cálcio, o manganês inibe a sua translocação para o ápice. � Cobre: 20 µg.g-1 PS � Boro: 75 µg.g-1 OS � Zinco: 200 µg.g-1 PS � Manganês: 200 µg.g-1 PS milho 600 µg.g-1 PS soja 500 µg.g-1 PS girassol � Níquel: 5 µg.g-1 PS 10000 µg.g-1 PS Alyssum Agentes Quelantes: O Fe+3 (Fe+2) e em menor grau o zinco, manganês e cobre são relativamente insolúveis na solução do solo, especialmente em pHs acima de 5,0. AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 57 Para tornar estes íons solúveis é preciso um ligante (ou agente quelante). Quelado: complexo formado entre o íon e o agente quelante. É um produto solúvel formado quando certos átomos de um agente quelante doam elétrons para o cátion (doador --COO- ou --N+). Fe+3 é mais insolúvel que Fe+2. Quando os solos, especialmente calcários, estão bem aerados o Fe+2 é oxidado a Fe+3 � precipitado. 2 Fe+3 + 6 0H � 2 Fe(OH)3 � Fe2O3 + 3 H2O Duas estratégias para aquisição de Fe nas angiospermas: I. Em dicotiledôneas e algumas monocotiledôneas - liberação de quelantes tipo fenol como ác. caféico � + Fe+3 Na superfície das raízes é reduzido a Fe+2,ao mesmo tempo que se forma NADPH e H+ são liberados (favorece a solubilidade de Fe+3 e Fe+2). A redução causa a perda de Fe+2 do quelado, é imediatamente absorvido. Ineficiente em solos calcáreos, pH alto, bem tamponado por HCO-3. II. Em gramíneas (inclusive cereais) produzem e liberam ligantes poderosos que quelam especificamente e fortemente: "fitosideróforos" ác. avênico e ác. Figura 2: Quelante de ferro. DTPA isolado (A) e formando complexo com Fe (B). Extraída de Taiz & Zeiger 2004. A B Salisbury & Ross 1992 AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 58 muginéico (ác. iminocarboxílicos). Absorção pelas raízes do quelado como um todo � reduzem a Fe+2 � liberado e usado pela planta � fitosideróforos degradados ou liberados novamente para o solo para carregar mais Fe. O transporte interno de Fe, Zn e Mn via xilema ocorre por quelação com ác. cítrico (ác. orgânicos). Cu + aa. � Transporte no xilema. Toxidez e resistência a metais pesados: As plantas podem absorver, via raízes, tanto nutrientes essenciais como íons tóxicos como cádmio (Cd+2); chumbo (Pb+2); cobre (Cu+2); mercúrio (Hg); zinco (Zn+2); níquel (Ni-2); prata (Ag); Al+3, que estão presentes em metais pesados. Salisbury & Ross 1992 AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 59 H C COO- CH2 NH3 SH Estes íons podem se acumular em quantidades consideráveis nas células. A toxidez destes elementos no citoplasma é baseada em sua alta afinidade para reduzir grupos S e inativação de enzimas em grupos SH livres. Entre os sintomas de toxidez podemos citar: deterioração do crescimento e subdesenvolvimento de raízes. Outro efeito importante é a inibição da entrada de NO3- e efeito inibitório direto nas enzimas de assimilação de nitrogênio, sendo a NR a mais sensível, especialmente a Cd, Cu e Pb. Em plantas de cevada 1mM de Cu inibe de 80 a 100% NR. Por outro lado a NiR é insensível. Em sementes germinantes de ervilha, o Pb retardou a utilização de reservas de nitrogênio, reduziu 50% do conteúdo de NR e GS. Nas plantas ocorre um sistema de desintoxicação, especialmente naquelas tolerantes a metais pesados, através de fitoquelatinas. Fitoquelatinas são peptídeos pequenos, ricos em cisteína (aminoácido contendo enxofre). Têm de 2 a 11 cisteínas no centro da molécula e um ácido glutâmico e uma glicina nas extremidades. A ligação com metais pesados ocorre entre os átomos de enxofre da cisteína, mas N e O podem participar. As ligações com Cd, Cu e Pb são mais firmes, já com Zn é mais frouxa. Molécula de fitoquelatina: Molécula de cisteína: Ciclo regulatório metabólico para sequestramento de metais tóxicos pesados por ligação com fitoquelatina (PC): Estes peptídeos ricos em (γ-Glu-Cys)n-Gly SH AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 60 cisteína são formados pela transferência de um ou mais resíduos γ-glutamil cisteinil para glutationa (GSH) por uma transpeptidase (fitoquelatina sintase). Na ausência de metais pesados (Me) a enzima PC sintetase é inativa. Ela é ativada por Me. A redução de íons (Me) livres decresce a atividade da enzima. EFEITO DO ALUMÍNIO: O Al presente nos solos do Cerrado está sob a forma: Al2O3. SiO2. 2H2O (caolinita) Al2O3. 3H2O (gibsita) Este tipo de solo possui uma baixa capacidade de troca catiônica e uma baixa capacidade armazenamento de água. Os cerrado brasileiro tem cerca de 75 a 360 ppm de alumínio. A forma disponível para as plantas está na forma Al+3 e é dependente do pH. Geralmente pHs mais baixos favorecem a solubilização do alumínio e pHs acima de 5,5 causam sua precipitação. Para a maioria das plantas cultivadas o Al é considerado tóxico. Mas para algumas, como beterraba, milho e algumas leguminosas tropicais o Al (em baixas concentrações – entre 71,4 e 185 µmol.L-1) causa uma melhoria no crescimento. Em plantas de chá, o Al efetivamente estimula o crescimento. Mohr & Schopfer 1995 AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 61 Este efeito possivelmente é indireto e está correlacionado à precipitação de íons que poderiam ser tóxicos em concentrações mais altas, como o P, Zn e Cu. Efeitos fisiológicos: -Liga-se a membranas diminuindo a sua fluidez. Bloqueia canais de K+ e inibe ATPases. - Afeta interações com rede de mensageiros (via de transdução do sinal) como Ca+2-calmodulina, que se constituem em importantes processos regulatórios. - Impede o crescimento das raízes. Inibe a divisão celular do meristema apical da raiz, que pode ser causada pela ligação do alumínio ao DNA. Como a presença de alumínio impede a absorção de cálcio, provavelmente a citocinese não é completada, pois a formação da lamela média requer de cálcio. Interações com íons: Fosfatos: Al precipita fosfato no apoplasto formando sal Al2(PO4)3, diminuindo a sua disponibilidade. Além disso, no solo, o fósforo se torna fortemente aderido a minerais argilosos diminuindo a sua solubilidade. A redução da área superficial da raiz também é responsável pela drástica diminuição da absorção de fosfatos. Esta redução é causada pela inibição da divisão celular no meristema apical da raiz, em presença de alumínio. Ferro: altos níveis de Al levam a um aumento na solubilidade do Fe, e pode induzir a estresse por excesso de Fe. Ca+2 , Mg+2 ,Mn+2 e Zn+2. Alumínio, por competição catiônica, ocupa todos os sítios de troca no apoplasto evitando a sua absorção. Silício: o silício tem um efeito benéfico, desintoxicando a planta. O mecanismo de desintoxicação ocorre por aumento no pH da solução, formação de complexos hidróxi alumínio silicato (HAS) não tóxicos para as plantas, na solução e no apoplasto das raízes (ligado às paredes celulares). AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 62 Resposta das Plantas ao Alumínio: as plantas com respeito à presença de alumínio são classificadas em 2 grupos: 1. Sensíveis: não possuem mecanismos de resistência à toxidez por alumínio. Neste grupo estão incluídas a maioria das plantas cultivadas. 2. Resistentes: existem dois subgrupos de plantas resistentes ao alumínio: 2.1. Não-acumuladoras: evitam o estresse aumentando o pH da rizosfera, tornando o alumínio insolúvel no solo. A mucilagem, que contém ácido galacturônico, produzida pelo ápice evita a absorção de alumínio, pois este elemento se liga ao ácido galacturônico, permanecendo imóvel. 2.2. Acumuladoras: acumulam grandes quantidades de alumínio. Dentro das plantas o alumínio pode estar complexado com citrato, ou com polifenóis e estes complexos devem ser armazenados nos vacúolos. Em outras plantas o alumínio pode estar ligado às paredes celulares de células de raízes, paredes celulares e conteúdo de floema de folhas, paredes celulares de parênquima e epiderme de folhas. Em algumas espécies também ocorre nos tricomas de folhas. Neste grupo estão incluídas a maioria das plantas nativas de ambientes estressantes, ricos em alumínio. Exemplos de plantas de cerrado acumuladoras: - Miconia albicans, M. ferruginata, M. pohliana. - Melastomataceae - Palicourea rigida - Rubiaceae - Qualea grandiflora, Q. parviflora, Q. multiflora, Vochysia elliptica, V. thyrsoidea, V. rufa – Vochysiaceae. AUTORA: Profª Dra Lourdes Isabel Velho do Amaral 2011 63 BIBLIOGRAFIA Buchanan, B.B.; Gruissem, W. & Jones, R.L. 2000. Biochemistry and molecular biology of plants. American Society for PlantPhysiologists, Rockville. Epstein, E. 2006. Nutrição mineral das plantas. Princípios e perspectivas. 2a ed. Editora Planta, Londrina. Ferri, M.G., coord. 1985. Fisiologia vegetal. Vol. 1. 2a. ed. EPU, São Paulo. Kerbauy, G.B. Fisiologia vegetal. Guanabara Koogan, Rio de Janeiro. Malavolta, E. 1980. Elementos de nutrição mineral de plantas. Ed. Agronômica Ceres, São Paulo. Marschner, H. 1989. Mineral nutrition of Higher Plants. 3a ed. Academic Press, London. Mohr, H. & Schopfer, P. 1995. Plant physiology. Springer, London. Raghavendra, A.S. 1998. Cambridge university Press, Cambridge. Salisbury, F.B. & Ross, C. 1992. Plant physiology. 4a. ed. Wadsworth, Belmont. Sutcliffe, J.F. 1980. As Plantas e a água. EPU/EDUSP, São Paulo. Taiz, L. & Zeiger, E. 2004. fisiologia vegetal. Artmed, porto Alegre.
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