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AS PLANTAS E A AS PLANTAS E A ÁÁGUAGUA 22ªª ParteParte TÓPICOS A SEREM ABORDADOS: ¾ A importância da água ¾ A estrutura e as propriedades da água ¾ Relações hídricas de células e tecidos ¾ Fisiologia dos estômatos ¾ Absorção e transporte da água ¾ Transpiração e gutação ¾O contínuo solo-planta-atmosfera TÓPICOS A SEREM ABORDADOS: ¾¾ A importância da A importância da ááguagua ¾¾ A estrutura e as propriedades da A estrutura e as propriedades da ááguagua ¾ Relações hídricas de células e tecidos ¾ Fisiologia dos estômatos ¾ Absorção e transporte da água ¾ Transpiração e gutação ¾O contínuo solo-planta-atmosfera Relações hídricas de células e tecidos O potencial quO potencial quíímico da mico da áágua gua éé uma uma expressão quantitativa da energia expressão quantitativa da energia livre associada livre associada àà áágua.gua. Energia livre = potencial para realizar Energia livre = potencial para realizar trabalhotrabalho Todos os seres vivos necessitam de Todos os seres vivos necessitam de entrada contentrada contíínua de energia livre.nua de energia livre. Relações hídricas de células e tecidos O potencial quO potencial quíímico de uma substância mico de uma substância éé governado por:governado por: ConcentraConcentraççãoão PressãoPressão GravidadeGravidade Potencial elPotencial eléétrico (trico (áágua gua éé neutra, sem neutra, sem influência do potencial elinfluência do potencial eléétrico)trico) Relações hídricas de células e tecidos O potencial quO potencial quíímico mico éé uma quantidade uma quantidade relativa: ele sempre relativa: ele sempre éé expresso como expresso como sendo a diferensendo a diferençça entre o potencial a entre o potencial da substância em determinado estado da substância em determinado estado e o potencial da substância no estado e o potencial da substância no estado padrão.padrão. Unidade: joule molUnidade: joule mol--11 Relações hídricas de células e tecidos O potencial quO potencial quíímico mico éé pouco prpouco práático na tico na fisiologia vegetal. Foi denominado o fisiologia vegetal. Foi denominado o potencial hpotencial híídrico, definido como drico, definido como potencial qupotencial quíímico dividido pelo volume mico dividido pelo volume molalmolal parcial da parcial da áágua (gua (VwVw = 18 cm= 18 cm33 molmol--11).). A energia livre da A energia livre da áágua gua éé expressa em expressa em unidades de pressão (unidades de pressão (MPaMPa)) bar = 0,987 bar = 0,987 atmatm = 105 Pa = 0,1 = 105 Pa = 0,1 MPaMPa = 105 = 105 dinasdinas cmcm--22 = 102 J kg= 102 J kg--11 Potencial hPotencial híídricodrico O transporte cO transporte céélula x clula x céélula lula éé explicado pelo gradiente, ou melhor, explicado pelo gradiente, ou melhor, pelo potencial hpelo potencial híídrico (drico (ΨΨaa ou ou ΨΨww)) Potencial hPotencial híídricodrico O O movimentomovimento dada ááguagua éé funfunççãoão de de algunsalguns componentescomponentes queque resultamresultam no no queque se se denominadenomina potencialpotencial hhíídricodrico.. O O potencialpotencial hhíídricodrico éé notadonotado pelapela letraletra gregagrega psipsi ((ΨΨ), e ), e representarepresenta a a energiaenergia livrelivre associadaassociada com com estaesta.. Potencial hPotencial híídricodrico O O potencialpotencial hhíídricodrico dependedepende dada concentraconcentraççãoão, , dada pressãopressão e e dada gravidadegravidade.. ΨΨa = = ΨΨa* + * + ffconcconc + + ffpressãopressão + + ffgravgrav ΨΨa** = estado padrão da = estado padrão da áágua gua –– áágua gua pura sob pressão ambiente e na pura sob pressão ambiente e na mesma temperatura da amostramesma temperatura da amostra Potencial hPotencial híídricodrico ΨΨa = = ΨΨa* + * + ffconcconc + + ffpressãopressão + + ffgravgrav ffconcconc = representa o efeito da = representa o efeito da concentraconcentraçção de ão de áágua. Quanto maior gua. Quanto maior (mais precisamente a atividade da (mais precisamente a atividade da áágua) gua) maior sermaior seráá ΨΨa Conc = fração de moles = no moles S/no moles total Potencial hPotencial híídricodrico Nas cNas céélulas as solululas as soluçções são diluões são diluíídas e a das e a concentraconcentraçção da ão da áágua (fragua (fraçção de moles) ão de moles) éé alta.alta. Na prNa práática tica éé mais fmais fáácil definir cil definir ffconcconc em em termos de concentratermos de concentraçção de solutos (ão de solutos (vanvan´´tt HoffHoff ). ffconcconc = = --RTCsRTCs ((-- = solutos = solutos ΨΨa )) R = 8,3143 mR = 8,3143 m33 Pa molPa mol--11 KK--11; T = K; ; T = K; CsCs = = osmolalidadeosmolalidade Potencial hPotencial híídricodrico ffconcconc = = ΨΨss = = --RTCsRTCs = = --ππ CsCs = = OsmolalidadeOsmolalidade: : éé uma medida de uma medida de concentraconcentraçção de todos os solutos dissolvidos em ão de todos os solutos dissolvidos em uma soluuma soluçção, independentemente das espão, independentemente das espéécies cies moleculares ou da massa.moleculares ou da massa. Assim, 1 mol de sacarose em 1 kg de Assim, 1 mol de sacarose em 1 kg de áágua resulta gua resulta em em CCss = 1 mol kg= 1 mol kg--11 = 1 = 1 osmolosmol kgkg--11 1 mol de 1 mol de NaClNaCl CCss = 2 = 2 osmolosmol kgkg--11 Potencial hPotencial híídricodrico Muitas plantas têm um potencial osmMuitas plantas têm um potencial osmóótico tico ((ΨΨss) na ordem de ) na ordem de -- 1 1 MPaMPa ((ππ = 1 = 1 MPaMPa). ). Usando a equaUsando a equaçção de ão de vanvan´´tt HoffHoff, , substituindo o valor substituindo o valor ℜℜT a 20 T a 20 ººC (8,314 mC (8,314 m33 Pa molPa mol--11 KK--11 x 293 K = 2436 mx 293 K = 2436 m33 Pa molPa mol--11), ), temtem--se:se: CsCs = = ΨπΨπ//--ℜℜT = T = ((--101066 Pa)/(Pa)/(--2436 m2436 m--33 Pa molPa mol--11)) = 4.105 x 10= 4.105 x 10--44 x 10x 1066 mol mmol m--33 ≈≈ 411 mol m411 mol m--33, , ou mais corretamente 0,411 ou mais corretamente 0,411 osmolosmol kgkg--11. . Potencial hPotencial híídricodrico ΨΨa = = ΨΨa* + * + ffconcconc + + ffpressãopressão + + ffgravgrav ffpressãopressão = representa o efeito da pressão = representa o efeito da pressão hidrosthidrostáática sobre tica sobre ΨΨa Células de plantas têm paredes rígidas resultando em fpressão positivo, denominado de pressão de turgor. Potencial hPotencial híídricodrico ffpressãopressão = P = = P = ΨΨp ou ou ΨΨt PP = pressão hidrost= pressão hidrostáática em excesso tica em excesso àà pressão pressão atmosfatmosféérica do ambiente.rica do ambiente. PP = pressão absoluta = pressão absoluta –– pressão atmosfpressão atmosféérica (Pa rica (Pa = 0,1 = 0,1 MPaMPa). ). ÁÁgua no estado padrão P = 0 gua no estado padrão P = 0 MPaMPa O valor de P para água pura em um béquer aberto é 0 MPa ! Potencial hPotencial híídricodrico ΨΨa = = ΨΨa* + * + ffconcconc + + ffpressãopressão + + ffgravgrav ffgravgrav = representa o efeito da gravidade = representa o efeito da gravidade sobre sobre ΨΨa A gravidade faz a água se mover para baixo, a menos que a força dela seja antagonizada por uma força igual e oposta. Potencial hPotencial híídricodrico ffgravgrav = depende da altura (h) da = depende da altura (h) da áágua sobre a gua sobre a áágua no gua no estado padrão, da densidade da estado padrão, da densidade da áágua (gua (ρρw) e da w) e da aceleraaceleraçção (g).ão (g). ffgravgrav = = ρρwghwgh = = ΨΨg Ainda que frequentemente negligenciado em sistemas Ainda que frequentemente negligenciado em sistemas vegetais, o vegetais, o ΨΨgg aumenta 0,01 aumenta 0,01 MPaMPa mm--11 acima da altura acima da altura do solo e, por isso, deveria ser includo solo e, por isso, deveria ser incluíído sempre que do sempre que se estudam se estudam áárvores altasrvores altasPotencial hPotencial híídricodrico O O potencialpotencial hhíídricodrico dada ááguagua purapura no no estadoestado padrãopadrão éé igualigual a zero (a zero (ΨΨa* = 0 = 0 MPaMPa)).. DestaDesta forma, forma, ΨΨa de de umauma solusoluççãoão éé:: ΨΨa = = ΨΨss + + ΨΨpp ou ou -- ππ + P+ P O O potencialpotencial hhíídricodrico éé a soma dos a soma dos efeitosefeitos dada pressãopressão ffíísicasica ((potencialpotencial de de pressãopressão) e do ) e do potencialpotencial osmosmóóticotico. . Potencial hPotencial híídricodrico O O potencialpotencial hhíídricodrico emem umauma ccéélulalula podepode considerarconsiderar o o potencialpotencial matricialmatricial ((ΨΨmm). ). Este componente pode ser muito importante Este componente pode ser muito importante quando se estuda o potencial hquando se estuda o potencial híídrico de solos, drico de solos, sementes, paredes celulares, etc. A distinsementes, paredes celulares, etc. A distinçção ão entre entre ΨΨmm e e ΨΨss éé atatéé certo ponto arbitrcerto ponto arbitráária uma vez ria uma vez que que éé difdifíícil distinguir se as partcil distinguir se as partíículas são solutos culas são solutos ou sou sóólidos, de forma que lidos, de forma que ΨΨmm éé muitas vezes inclumuitas vezes incluíído do em em ΨΨss Potencial hPotencial híídricodrico Sob condiSob condiçções isotões isotéérmicas:rmicas: ΨΨa = = ΨΨss + + ΨΨpp + + ΨΨmm OndeOnde:: ΨΨa = Potencial da = Potencial da áágua ou hgua ou híídricodrico ΨΨs = Potencial dos solutos ou osm= Potencial dos solutos ou osmóóticotico ΨΨp = Potencial de pressão= Potencial de pressão ΨΨm = Potencial matricial= Potencial matricial Potencial hPotencial híídricodrico ΨΨs e e ΨΨm são negativossão negativos ΨΨs = expressa o efeito dos solutos na = expressa o efeito dos solutos na solusoluçção da cão da céélula e lula e ΨΨm expressa os expressa os efeitos de colefeitos de colóóides e de superfides e de superfíícies cies ligados a ligados a áágua e efeito de capilares nas gua e efeito de capilares nas ccéélulas e paredes celulareslulas e paredes celulares Potencial hPotencial híídricodrico ΨΨm tem efeito despreztem efeito desprezíível sobre vel sobre ΨΨa Em sementes em desenvolvimento ou Em sementes em desenvolvimento ou ccéélulas de paredes espessas hlulas de paredes espessas háá maior maior aaçção do ão do ΨΨm Desta forma: Desta forma: ΨΨa = = ΨΨss + + ΨΨp p ou ou -- ππ + P+ P Potencial hPotencial híídricodrico Considerando a não mudanConsiderando a não mudançça no volume a no volume celular:celular: 0-2,0 +-2,0 =Flácida (+1,0)-2,0 +-1,0 =Parcial/ túrgida (+2,0)-2,0 +0 =Túrgida ΨΨPΨΨSΨΨaCélula\Potencial (MPa) Pressão de vapor relativaPressão de vapor relativa Significa a pressão de vapor da Significa a pressão de vapor da áágua nos gua nos vacvacúúolos ou no citoplasma em relaolos ou no citoplasma em relaçção ão àà áágua gua pura, sob mesmas condipura, sob mesmas condiçções de temperatura ões de temperatura e pressãoe pressão.. Diferentes partes da planta têm diferentes Diferentes partes da planta têm diferentes pressões relativas:pressões relativas: ccéélula = lula = ΨΨa;; citoplasma e suco citoplasma e suco vacuolarvacuolar = = ΨΨS ÁÁgua ligadagua ligada Uma fraUma fraçção varião variáável da vel da áágua, em materiais gua, em materiais vivos e não vivos, atua diferentemente da vivos e não vivos, atua diferentemente da áágua livre.gua livre. Ela tem pressão de vapor inferior, não Ela tem pressão de vapor inferior, não congela abaixo de 0congela abaixo de 0ooC, não funciona como C, não funciona como solvente e parece ser invisolvente e parece ser inviáável para processos vel para processos fisiolfisiolóógicos.gicos. Importância como constituinte celular, na Importância como constituinte celular, na tolerância a secagem de algumas sementes, tolerância a secagem de algumas sementes, esporos, etc.esporos, etc. AS RELAAS RELAÇÇÕES HÕES HÍÍDRICAS DRICAS DAS CDAS CÉÉLULAS VEGETAISLULAS VEGETAIS As cAs céélulas vegetais funcionam como lulas vegetais funcionam como osmômetrososmômetros com um compartimento com um compartimento interno, o protoplasma, envolto pela interno, o protoplasma, envolto pela membrana plasmmembrana plasmáática semipermetica semipermeáável, vel, isto isto éé, perme, permeáável vel àà áágua e impermegua e impermeáável vel aos solutosaos solutos AS RELAAS RELAÇÇÕES HÕES HÍÍDRICAS DRICAS DAS CDAS CÉÉLULAS VEGETAISLULAS VEGETAIS Movimento da Movimento da ááguagua Jv = Lp (∆Ψp +σ∆Ψs), onde: Jv = fluxo de volume de água Lp = Condutância hidráulica da membrana ou condutância hidráulica ∆Ψp = diferencial de pressão ∆Ψs = diferencial de pressão osmótica σ = coeficiente de reflexão; expressão da extensão de impermeabilidade a um dado soluto; σ = 1 – membrana impermeável, < 1 - permeável Movimento da Movimento da ááguagua Uma vez que a água permeia facilmente a membrana plasmática, o potencial hídrico dentro das células equilibra-se com o ambiente circundante dentro de segundos, ainda que seja preciso mais tempo para todas as células num tecido se equilibrarem com uma solução exterior Movimento da Movimento da ááguagua Outra característica importante das células vegetais é que estão encaixadas numa parede celular relativamente rígida que resiste à expansão, permitindo, assim, que se gere uma pressão hidrostática interna. A diferença de pressão entre o interior e o exterior da parede de uma célula é ΨΨpp. Para um dado conteúdo celular em solutos ΨΨpp diminui à medida que o ΨΨa da célula diminui (fica mais negativo). O ΨΨa da maior parte das espécies vegetais situa-se entre os -0.5 e os -3.0 MPa. Pressão de turgescência Pressão de turgescência negativa (plasmnegativa (plasmóólise)lise) Diagrama de Diagrama de HoflerHofler--ThodayThoday ilustrando as relailustrando as relaçções entre o potencial hões entre o potencial híídrico (drico (ΨΨ), o ), o potencial osmpotencial osmóótico (tico (ΨΨss) e o potencial de pressão () e o potencial de pressão (ΨΨp), p), àà medida que a cmedida que a céélula ou o lula ou o tecido, em turgidez mtecido, em turgidez mááxima, perde xima, perde áágua. A linha tracejada abaixo do ponto de gua. A linha tracejada abaixo do ponto de turgidez zero representa uma possturgidez zero representa uma possíível turgidez negativa em cvel turgidez negativa em céélulas de paredes muito lulas de paredes muito rríígidas.gidas. Potencial de pressão,Ψp (MPa) Potencial osmótico, Ψs (Mpa) ou Potencial hídrico, Ψ (MPa) Turgidez máxima Plasmólise incipiente Murcha Fisiologia dos estômatos Atmosfera: baixa saturação de água Desidratação das plantas Cutícula = barreira contra perda de água, mas também CO2 e O2 Solução: regulação da abertura estomática Estômatos são pequenas estruturas epidérmicas existentes nas folhas, principalmente, mas podem ser encontrados em frutos, flores e caules jovens. São formados por duas células estomáticas (células guardas), que delimitam uma fenda (ostíolo), duas ou mais células anexas (acessórias ou subsidiárias) adjacentes e uma câmara sub- estomática, a qual está em conexão com os espaços intercelulares Fisiologia dos estômatos As células estomáticas, ao contrário do que normalmente acontece com as outras células epidérmicas, possuem cloroplastos. Outras peculiaridades das células guardas são: a ausência de plamodesmatas e a falta de uma cutícula espessada. As células guardas possuem a parede celular mais espessada em pontos estratégicos e as microfibrilas de celulose são dispostas no sentido radial em relação ao ostíolo Fisiologia dos estômatos Fisiologia dos estômatos Fisiologia dosestômatos Representação de estômatos típicos de dicotiledôneas e algumas mono (A). Há uma analogia utilizando tubos de borracha com paredes mais espessas nos lados em que se tocam. Colocando-se água sob pressão, os tubos se afastam. Adaptado de Binet (1968). Fisiologia dos estômatos Fisiologia dos estômatos Fisiologia dos estômatos Representação de estômatos típicos de gramíneas (B). Nas monocotiledôneas a turgescência nas extremidades permite a abertura dos ostíolos. Adaptado de Binet (1968). Fisiologia dos estômatos Fisiologia dos estômatos O número de estômatos nas folhas: 1000 a 100.000 cm2. O tamanho médio dos estômatos varia de 3 a 12 µm de largura por 7 a 40 µ m de comprimento e, quando abertos, 100 µm2. Os estômatos ocupam em uma folha cerca de 1 a 2% da área foliar total. Fisiologia dos estômatos A localização dos estômatos nas duas faces das folhas (superior e inferior) pode variar dependendo da espécie: anfiestomáticas eles ocorrem em ambas epidermes (em espécies de regiões mais áridas). hipoestomáticas ocorrem principalmente na face inferior (em espécies de regiões úmidas) epiestomáticas aparecem mais na epiderme superior (em folhas flutuantes de espécies aquáticas). Fisiologia dos estômatos Controle do movimento estomático: participação das microfibrilas de celulose. Abertura estomática A abertura estomática é decorrente do aumento da pressão de turgor das células-guarda em resposta a um aumento no π e diminuição no Ψ. Células-guardas = válvulas hidrostáticas multisensoriais O fechamento pode ser hidropassivo (cutícula) ou hidroativo (dependente do metabolismo) Afetada por fatores ambientais Abertura estomática Abertura estomática Várias hipóteses para explicar o aumento do π. Células-guardas contém cloroplastos = acúmulo de açúcares nos vacúolos. Porém, 14C demonstrou que o acúmulo é muito lento. Interconversão de amido em açúcar. Porém, não foi constatada a correlação direta com a abertura. Mudanças nas concentrações de CO2. Insuficientes para causar acidificação (R- COOH) Abertura estomática Em 1943, descoberta do fluxo de K+ nas células-guarda. A concentração aumenta de 100 mM (fechado) para 400-800 mM (aberto) Como K é um cátion há necessidade de um balaço de cargas. Influxo de Cl- e do ânion malato-2 (sintetizado no citoplasma das células-guarda pela hidrólise do amido) Abertura estomática O destino do malato com o fechamento dos estômatos ainda é motivo de estudos. O acúmulo de K+ e Cl- nas células-guarda requer absorção ativa, provavelmente por gradiente de prótons primário. Tem sido retomados os estudos com o papel osmoregulardor da sacarose. Abertura estomática Abertura estomática O canal de influxo é regulado por voltagem (pot. elét. em torno de –110 mV) e promove um transporte passivo de K+. O Cl- entra na célula através de um carreador que promove o co-transporte de Cl- e H+ para dentro da célula. Cada H+ que entra junto com o Cl- é gerado pela atividade de uma H+-ATPase (uma bomba de prótons) que gasta ATP para colocar o H+ para fora da célula Abertura estomática Sinalizador que estimule a H+-ATPase e promove a entrada de K+ e Cl- e, conseqüentemente, a abertura estomática. Dois ativadores da H+-ATPase são a luz azul e uma toxina fúngica (fusicocina). Ambos promovem a abertura estomática. De forma inversa, um inibidor H+-ATPase irá promover o fechamento estomático. O ácido abscísico (ABA) é um hormônio vegetal e está associado ao fechamento estomático quando as plantas estão em deficiência de água Abertura estomática Abertura estomática - ABA Resposta dos estômatos aos fatores ambientais LUZ: é o sinal ambiental dominante controlando o movimento estomático em folhas de plantas com bom suprimento de água em ambiente naturais. Essa resposta é de tal modo que com alta intensidade luminosa os estômatos estão amplamente abertos e quando a intensidade cai, eles fecham. Como a concentração de CO2 intercelular diminui durante as altas taxas de fotossíntese, é difícil separar a resposta dos estômatos à luz e ao CO2. Resposta dos estômatos aos fatores ambientais LUZ: Resposta dos estômatos aos fatores ambientais LUZ: O efeito da luz no movimento estomático pode ser dividido em dois: 1) efeito indireto aumentando a fotossíntese, a qual aumenta o conteúdo de solutos; 2) efeito específico da luz azul atuando como um mensageiro. A velocidade de abertura e a intensidade de luz para isso acontecer são características de cada espécie Resposta dos estômatos aos fatores ambientais CO2: Aumento na concentração de CO2 provoca fechamento dos estômatos e abaixamento no teor normal (existe cerca de 0,03% na atmosfera) do CO2 no ar, até 0,01%, causa abertura máxima em grande grupo de plantas, mesmo que elas estejam no escuro. Resposta dos estômatos aos fatores ambientais CO2: O teor de CO2 que provoca máxima abertura é aquele encontrado no ponto de compensação do CO2, tanto para plantas C3 quanto para C4. Também envolve o transporte de K+, provavelmente pela variação de pH H2CO3 H++ HCO3- Resposta dos estômatos aos fatores ambientais Temperatura: em condições naturais participam conjuntamente a luz, o balanço hídrico e a temperatura. Verificou-se, em condições controladas, que temperaturas baixas próximo de 0° até 10°C podem provocar o fechamento estomático em algumas espécies, o mesmo acontecendo com temperaturas muito elevadas. temp = [CO2] = fechamento temp = metabolismo = energia livre Resposta dos estômatos aos fatores ambientais Água: O ΨΨa da folha é o fator mais importante. A abertura estomática depende da turgescência das células-guarda. Em folhas murchas, os estômatos se fecham. Normalmente déficits de água aparecem nas horas de maior transpiração, quando a absorção não acompanha as perdas de água. Água Resposta dos estômatos aos fatores ambientais
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