nutricao mineral 2

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NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS NH 4 + NH 4 + N0 3 - N0 3 - H 2 P0 4 - H 2 P0 4 - K + K + S0 4 2- S0 4 2- N0 3 - N0 3 - Ca 2+ Ca 2+ Mg 2+ Mg 2+ Prof. Carlos Moacir Bonato Prof. Celso João Rubin Filho Prof a . Elena Melges Prof. Valdovino D. dos Santos UEM - Universidade Estadual de Maringá Maringá (PR), 1998

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NUTRIO MINERAL DE PLANTAS

Ca2+ Ca2+ Mg2+ Mg2+ NH4+ + NH4 N0 N03-3 H2P0 H2P04-4 N03- N03 S042S042-

K+ K+

Prof. Carlos Moacir Bonato Prof. Celso Joo Rubin Filho Profa. Elena Melges Prof. Valdovino D. dos Santos

UEM - Universidade Estadual de Maring

Maring (PR), 1998

UEM - Nutrio Mineral de Plantas

- PREFCIO

A nutrio mineral essencial para o crescimento e o desenvolvimento das plantas, tendo importncia capital, tanto na cincia bsica como na cincia aplicada. Impressionantes progressos tem sido feitos nesta ltima dcada, no entendimento dos mecanismos de absoro dos nutrientes e suas funes no metabolismo das plantas. Paralelamente, houveram grandes progressos no aumento da produo das culturas pelo suprimento mais racional dos nutrientes minerais s plantas. O objetivo alvo desta apostila fornecer aos alunos de graduao em agronomia e biologia os princpios bsicos de nutrio mineral de plantas, com base no conhecimento atual. Na parte inicial, procurou-se dar enfoque de como os elementos minerais podem estar presentes na soluo do solo, bem como os mecanismos e os fatores pelos quais os mesmos podem contatar o sistema radicular das plantas, e serem potencialmente aborvidos. Uma viso de como o sistema radicular influencia na rizosfera tambm foi enfatizada. Uma vez que os ons para chegarem at os vasos do xilema precisam obrigatoriamente passar pela parede celular e membrana plasmtica, teve-se a preocupao de estud-las resumidamente, suas propriedades, funes, constituio e os principais sistemas de transportes ligados as membranas biolgicas. Em seguida, estudou-se o movimento dos ons desde a regio de absoro at o xilema, denominado movimento radial. Os aspectos do transporte dos elementos minerais nos vasos do xilema (transporte a longa distncia) at atingir a parte area, e sua redistribuio pelo floema (transporte a curta distncia), segundo sua mobilidade tambm foram abordados. Seqencialmente descreveu-se sobre a absoro, transporte, redistribuio e funes dos macro- e micronutrientes. Devido a grande importncia e da resposta na produtividade das plantas a aplicao de N, descreveu-se sucintamente sobre a absoro, assimilao, reduo e fixao biolgica do N. Finalizando discorreu-se sobre alguns aspectos da adubao foliar, diagnose de deficincia e toxicidade dos elementos minerais nas plantas superiores. A nutrio mineral de plantas cobre um campo muito vasto, portanto, praticamente impossvel tratar todos os aspectos com detalhes e profundidade. O intento desta apostila e dar uma viso atualizada dos princpios bsicos da nutrio mineral, auxiliando assim a aprendizagem dos alunos de graduao.

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1.INTRODUO O crescimento e o desenvolvimento das plantas depende, alm de outros fatores como luz gua e gs carbnico, de um fluxo contnuo de sais minerais. Os minerais embora requeridos em pequenas quantidades so de fundamental importncia para o desempenho das principais funes metablicas da clula. O efeito benfico da adio de elementos minerais no crescimento das plantas foi reconhecido h mais de 2000 mil anos. Contudo, JUST von LIEBIG (1803-1873) foi o principal cientista de seu tempo a lanar as bases da disciplina de Nutrio Mineral. Sua concluso de que N, S, P, K, Ca, Mg, Si, Na e Fe eram elementos essenciais, embora baseada apenas em observao e especulao sem precisa experimentao, provou ser bastante correta. Apenas o Si e o Na no so considerados essenciais, embora o possam ser para algumas espcies. De qualquer modo, houve um despertar nas pesquisas nesta rea no sculo XIX. Elas mostraram que as plantas tinham capacidade limitada de distinguir e, ou selecionar dentre os minerais disponveis na soluo do solo aqueles que pouco representavam para o seu metabolismo ou que eram at menos txicas a elas. Assim, a composio mineral das plantas no podia ser usada na definio da essencialidade de um elemento mineral. O progresso na qumica analtica, especialmente o desenvolvimento de tcnicas de purificao de sais e determinao de elementos minerais em quantidades traos, associado ao desenvolvimento de tcnicas de cultivo de planta em soluo nutritiva, permitiram a ARNON & STOUT (1939) o estabelecimento dos critrios de essencialidade. Estes autores concluram que, para um elemento ser considerado essencial deveria satisfazer a trs critrios bsicos: a) A planta no pode ser capaz de completar seu ciclo vital na ausncia do elemento mineral. b) A funo de certo elemento mineral no pode ser substitudo por outro elemento mineral. c) O elemento tem que estar diretamente envolvido com o metabolismo da planta ou ser requerido numa determinada etapa metablica. As plantas superiores requerem, alm do C, H e O, treze elementos que elas absorvem na forma de ons da soluo do solo. Seis destes, requeridos em maiores quantidades, so chamados MACRONUTRIENTES: N, P, K, Ca, S e Mg. Os sete outros, requeridos em baixas concentraes, so chamados MICRONUTRIENTES: Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo e Cl (Quadro 1).

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Quadro 1 - Elementos minerais essenciais e benficos para plantas superiores e inferiores. Plantas superiores + Plantas Inferiores +1 +2 +-

Classificao Macronutrientes Micronutrientes

Elementos N,P,K,Ca,S, Mg Fe,Mn,Zn,Cu,B,Mo, Cl3 ,Ni Na,Si,Co, I,V

+ +-

Benficos1 2

Exceto Ca para fungos Exceto B para fungos 3 H dvida para algumas espcies

Os denominados elementos benficos so aqueles minerais que: 1. Compensam ou eliminam os efeitos txicos de outros. Ex. O Al em concentrao abaixo de 0,2 ppm pode reduzir ou eliminar efeitos txicos de Cu, Mn e P. 2. Substituem um elemento essencial em alguma de suas funes menos especficas. Ex. O Na pode satisfazer parte da funo osmtica do K. 3. So essenciais apenas para algumas espcies. Ex. O Na essencial para a halfita Atriplex vesicaria. Os elementos minerais, macro e micronutrientes, ao lado de fatores tais como luz, gua e gs carbnico constituem a matria prima que a maquinaria biossinttica da clula utiliza para crescer e se desenvolver. Embora constituem apenas de 4 a 6% da matria seca total, os elementos minerais alm de serem componentes das molculas essenciais, constituem estruturas como membranas e esto envolvidos com a ativao enzimtica, controle osmtico, transporte de eltrons, sistema tampo do protoplasma e controle de permeabilidade, etc.

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2.SISTEMA SOLO-PLANTA 2.1 - Caractersticas primrias do solo O solo um sistema complexo constitudo de 3 fases: matriz do solo, soluo do solo e a fase gasosa. - Matriz do Solo A fase slida do solo (matriz) constituda pelas fraes mineral e orgnica. A frao mineral resulta da ao da intemperizao (fsica, qumica e biolgica) sobre as rochas e constituda de partculas de diferentes tamanhos: Areia grossa Areia fina Silte Argila 2,0 - 0,20 mm de dimetro 0,2 - 0,05 mm de dimetro 0,05 - 0,002 mm de dimetro < 0,002 mm de dimetro

(Fracionamento proposto pela Comisso Permanente de Mtodos de Campo da S.B.C.S) As 3 principais fraes formam o esqueleto do solo mas no exercem nenhuma, ou pequena influncia no comportamento fsico ou fsico-qumico do solo. A frao argila, por outro lado, alm de influenciar vrias propriedades fsicas e fsico-qumicas do solo, determina a capacidade de troca inica do solo. O Quadro 2.0 apresenta as caractersticas e composio qumica de alguns tipos de argila. A capacidade de trocar ctions das partculas de argila resulta basicamente de: a) Quebra de ligaes prximas margem da unidade estrutural

(-)

H+, Na+, K+

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UEM - Nutrio Mineral de Plantas Quadro 2.0 - Caractersticas e composio qumica de alguns tipos de argilaArgila Caolinita Tipo 1:1 Comp. Qumica 45-48% Si02 38-40% Al203 Montmorilonita 2:1 42-55% Si02 0-28% Al203 0-30% Fe203 Ilita 2:1 50-56% Si02 18-31% Al203 2-5% Fe203 4-7% K20 10-40 80-150 CTI(meq/100 g) 3-15%

b) Substituies isomrficas na estrutura cristalina = Al-0Si-022-

c) Ionizao de grupos hidroxlicos expostos -0H ! -0- + H+ J, a capacidade de trocar nions resulta de: a) Substituies de grupos hidroxlicos na superfcie dos minerais:

OH

Cl + OH -

b) Desbalano de cargas dentro da estrutura cristalina. nions como NO3-, SO42-, Cl-, prendem-se fracamente micela de argila, enquanto H2PO4- e outros so fortemente atrados e retidos. Por esta razo, os primeiros permanecem na soluo do solo e alcanam concentraes relativamente altas, enquanto o fosfato fortemente retido. A matria orgnica do solo resulta da decomposio biolgica de microorganismos, animais e, principalmente, vegetais. Fornece mais de 95% do nitrognio total, 5 a 60% do fsforo e 10 a 20% do enxofre total do solo. B - Soluo do Solo 8

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A soluo do solo o compartimento de onde a raiz retira ou absorve os elementos essenciais. constituda de uma soluo de eletrlitos em equilbrio com a fase slida como mostrado abaixo:

Fase slida Soluo do solo Adubao e Calagem

Parte area

A fase slida do solo o reservatrio ( M.0. + frao mineral) do solo. A remoo de ons da fase lquida pelas plantas que resulta em novas dissolues da fase slida at o restabelecimento do solo, bastante varivel, como pode ser observado no Quadro 2.1. Quadro 2.1 - Composio da soluo do solo em vrios tipos de soloTipo de solo cido Arg.-aren. Com cultivo Sem cultivo Salino pH 4.2 7.2 7.3 7.0 8.3 Ca 1.0 21.0 10.1 27.9 43.5+2

Mg 1.4 1.2 7.1 10.9 48.0

+2

K

+

Na

+

C+ 3.2 25.1 1.8 43.2 114.8

NO3 3.8 15.6 3.7 29.6 31.2

Cl

-

HCO3 1.1 1.1 1.0 7.2

-

S04 0.8 7.0 12.5 9.7 56.3

-2

A4.8 25.9 18.0 41.7 114.8

0.4 0.7 1.8 21.6 9.6

0.4 1.8 0.7 2.8 21.7

0.2 2.2 1.4 20.1

Observa-se que: a. O Ca e o Mg so, de modo geral, os ctions predominantes na soluo do solo. b. A fora inica da soluo do solo depende da concentrao de nions no adsorvidos pela superfcie negativa dos colides do solo ( a menos que contenham stios positivos associados com xidos de alumnio e ferro, em pH abaixo de 6). Os sulfatos, tambm, no so fortemente adsorvidos. Estes ons controlam a fora inica global da soluo do solo. c. A proporo dos diferentes ctions na soluo do solo que fazem o balano daqueles nions determinada por vrias fatores tais como: carga dos ctions adsorvidos, sua proporo no complexo de troca inica e as propriedades a dos ons trocados.

C) Fase Gasosa 9

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O ar do solo tem, geralmente, os mesmos componentes do ar atmosfrico. A respirao das razes e dos microrganismos, a decomposio da matria orgnica e outras reaes, porm, modificam sua composio.N2 Solo (15 cm) Atmosfera 79,2 79,0 O2 20,6 20,1 CO2 0,25 0,03

No exemplo acima, verifica-se que a composio do ar do solo bastante similar ao ar da atmosfera exceto quanto ao teor de CO2. Contudo, como a composio da fase gasosa dos solos depende de muitos fatores, generalizaes so perigosas. 2.2 - Movimento dos ons do solo para as razes Os ons que esto na soluo do solo, para serem absorvidos, devem estabelecer obrigatoriamente contato com o sistema radicular. Este contato pode ser estabelecido por trs processos, so eles: a. Interceptao Radicular b. Fluxo em Massa c. Difuso A contribuio relativa de cada um destes processos no fornecimento de ons para plantas de milho, num solo frtil tipo barro limoso pode ser observada no Quadro 2.2. Quadro 2.2 - Contribuio relativa de diferentes mecanismos ao fornecimento de certos elementos minerais a plantas de milho.kg/ha fornecido por Fluxo de Massa 168 (98,2%) 2 (5,8%) 35 (20,0%) 150 (428,6% 100 (250,0%) 19 (95,0%)

Elemento Quantidade. N P K Ca Mg S 170 35 175 35 40 20

Interceptao 2 (1,2%) 1 (2,9%) 4 (2,3%) 60 (171,4%) 15 (37,5%) 1 (5,0%)

Difuso 33 (94,3%) 136 (77,7%) -

* Quantidade do elemento necessria para uma colheita de 9 ton, em kg/ha

Como se verifica, nesta situao, apenas o Ca contatado pelas razes em quantidade suficiente para o crescimento das plantas. O fluxo em massa, por sua 10

UEM - Nutrio Mineral de Plantas vez, prov quantidade suficiente de N, Ca, Mg e S, mas apenas 20% do K. O K e o P chega as plantas basicamente por difuso. Na Interceptao Radicular, como o prprio nome sugere, as razes crescem, explorando o solo em todas as direes e, assim, entram em contato direto com os nutrientes a ser absorvido. Considerando que as razes ocupam em mdia apenas 1% ou menos do volume total do solo, e admitindo-se que o solo tenha um tero de seu volume total constitudo de poros cheios com uma soluo que pode ser 3 vezes mais concentrada que a massa do solo adjacente, assim, as razes podem contatar no mximo 3% dos nutrientes disponveis no solo. No Fluxo em Massa, a gua absorvida pelas plantas, fluem ao longo de um gradiente de potencial hdrico, arrastando consigo os nutrientes dissolvidos no soluo do solo para prximo da superfcie radicular onde ficam disponveis para a absoro. O fluxo em massa pode suprir a maior parte das exigncias de N(NO3-), Ca, Mg e S(SO42-), mas apenas parte do K e do P. De modo geral, os ons muito solveis, podem at se acumularem, principalmente, quando a taxa de absoro e de transpirao de gua so muito altas. O fluxo em massa influenciado basicamente pela: a. Concentrao do nutriente na soluo do solo b. Taxa de transpirao da planta O Quadro 2.3 apresenta o efeito de duas taxas de transpirao sobre a absoro do Ca e do Mn. Quadro 2.3 - Efeito da transpirao sobre a absoro de Ca e de MnParmetro Avaliado Peso da planta (g/vaso) Ca absorvido (meq/vaso) Ca suprido por fluxo em massa (meq/vaso) 0,47 (52%) Mn absorvido (eq/vaso) Mn suprido por fluxo em massa (eq/vaso) 4,70 (22%)1

1

a

Taxa de Transpirao3

2

b

2,28 0,91

2,38 2,22

1,94 (87%) 28,90 19,50 (65%)

21,80

- transpirao de 106 ml de gua/g 2 - transpirao de 444 ml de gua/g 3 - mdia para 4 espcies: tomate, soja, alface e trigo.

Quando o restabelecimento de um determinado on pelo solo menor que a quantidade absorvida pelas razes ocorre uma reduo na sua concentrao nas proximidades da superfcie radicular estabelecendo-se um gradiente de concentrao ao longo do qual o on se move. Este processo chamado de Difuso.

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UEM - Nutrio Mineral de Plantas A formao de gradientes de concentrao na proximidades das razes foi demonstrado para P e para K pela tcnica da autoradiografia. O gradiente de concentrao para fsforo em razes de milho pode ser observada na Figura 2.0.

Figura 2.0 - Autoradiografia de razes de milho em um solo marcado com 32P mostrando zonas de depleo do fsforo nas imediaes das razes ( remoo do 32P indicado pelas zonas pretas). Alguns dos principais fatores que afetam a difusibilidade dos ons no solo esto contidos nos termos da equao do coeficiente de difuso abaixo: D = D1 f1 ( dC1 1/ dC) + DE+ a. Contedo Volumtrico de gua no Solo ( ) O aumento do contedo hdrico do solo ( ) resulta numa diminuio na tortuosidade da rota de difuso e, portanto, num aumento na taxa de difuso e, portanto, num aumento na taxa de difuso. Pode afetar tambm a distribuio do on entre a fase slida e a soluo. b. Impedncia (f1) Este fator leva em considerao primariamente a tortuosidade da rota seguida pelo on nos poros do solo. Ele pode afetar aumentando a distncia a ser percorrida ou reduzindo o gradiente de concentrao ao longo desta rota. Alm disso, pode incluir o efeito do aumento na viscosidade da gua prximo a superfcie carregadas e influencia na absoro de nions (repulso pelas cargas negativas das micelas de argila). Em solos muito secos f1 tem valores muito baixos ( 2 x 10-4 em w = -10 MPa; 10-2 em w = -1Mpa) , mas entre -1 e -0,1 bares aumenta linearmente com o contedo hdrico. Em solos saturados f1 tem valores entre 0,4 e 0,7.

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UEM - Nutrio Mineral de Plantas c. Capacidade tamponante do solo ( dC/dC1) Representa a capacidade do solo reabastecer a soluo do solo num definido soluto medida que o mesmo vai sendo retirado pelas plantas ou outro processo qualquer. A capacidade tamponante do solo depende do fator quantidade (Q) que representa a quantidade do nutriente disponvel no solo e do fator intensidade (I) que reflete, em temos simples, a concentrao do nutriente na soluo do solo. As principais inter-relaes entre estes fatores so ilustradas na Figura 2.1.

Figura 2.1 - Representao esquemtica das inter-relaes entre os fatores quantidade e intensidade no fornecimento de nutrientes s razes da planta (adaptado de MARSCHNER, 1997). As razes das plantas absorvem, principalmente, os nutrientes que esto na soluo do solo cuja concentrao mantida, por sua vez, por um pool extravel, muito maior, onde os nutrientes esto adsorvidos. 2.3 - Fatores que afetam a absoro de ons H vrios fatores que influenciam a absoro de ons. Estes fatores podem ser tanto internos como externos. Os internos referem-se aos fatores intrnsecos a planta, enquanto que os externos so todos os fatores do meio (tanto biticos como abiticos) que influenciam de forma direta ou indireta a absoro de ons. Os modelos matemticos para explicar a absoro de ons do solo so complexos, e podem didaticamente ser separados em grupos, como mostra a Figura 2.2. O grupo de fatores do solo define a taxa pela qual os ons alcanam a superfcie radicular, podendo ento, ser absorvidos, levando tambm em considerao a distribuio das razes. A transpirao da planta neste grupo de grande importncia uma vez que ela influencia no fluxo de gua para as razes. 13

UEM - Nutrio Mineral de PlantasFATO R ES DO SO LO ! D is trib u i o d a s raze s ! D e n sid a d e d e ra ze s ! F lu xo d e g u a p a ra a ra z ! C o e fic ie nte d e d ifus o e fetivo ! C a p a cid a d e tam p o ! C o n ce n tra o in icia l d a s o lu o

F A T O R E S M O R F O L G IC O S T a xa d e cre s cim e n to d a ra iz R a io m dio d as ra z e s F re q n cia d e p e lo s a b so rve n te s C o m p rim e n to d o s p lo s ra d icu la re s Q u an tid ad e e fre q u n cia d e m ico rriza

CO NC ENTR A O NA S U P E R F C IE R A D IC U LA R R E A R A D IC U L A R C A P A C ID A D E D E A B S O R O

FATO R ES DE ABSO RO ! In flux o m x im o (M ec a n is m o I) ! C o n sta n te d e M ich a e lis M e n te n (K m , V m a x , C m in )

IN F L U X O D E O N S

Figura 2.2 - Esquema dos parmetros que so usados para a elaborao de clculos matemticos para explicar a absoro de elementos minerais pelas razes no solo (CLARKSON, 1985). O grupo dos fatores morfolgicos define a taxa de crescimento da rea de absoro do sistema radicular, o que influencia diretamente a taxa de absoro dos nutrientes. As micorrizas (VA) podem aumentar a rea de absoro e por conseqncia melhorar os mecanismos de absoro da planta. O grupo do fatores de absoro est estritamente ligado as constantes cinticas de absoro (Vmax, Km e Cmin). Assim, verifica-se que o influxo de ons determinado por vrios fatores, e que qualquer alterao em um destes fatores acarretar mudanas na capacidade de absoro dos ons e, portanto, no influxo de ons pelo sistema radicular. Deve-se ressaltar que a disponibilidade dos elementos minerais no solo dependem de vrios fatores como; pH, umidade, concentrao do elemento no solo, aerao, matria orgnica, competio entre os ons pelos mesmos ou diferentes stios de absoro na membrana plasmtica do sistema radicular. Alm desses itens acima citados deve-se sempre levar em considerao que as razes tambm possuem grande influncia sobre a rizosfera, e assim, sobre a disponibilidade dos nutrientes, devido as modificaes nas concentraes dos nutrientes, no pH da rizosfera, e na produo de exsudatos radiculares. Os microrganismos so agentes que podem tambm influenciar sobremaneira a disponibilidade e a eficincia dos mecanismos de absoro dos elementos minerais. A seguir descrever-se- os principais fatores a influenciar a absoro inica considerando o exposto acima: 14

UEM - Nutrio Mineral de Plantas 2.3.1 - Fatores externos A. pH O efeito do pH sobre a absoro de ons pode ser direto ou indireto. O efeito direto refere-se a competio entre o H+ e os outros ctions (pH baixo), e do OH- com os outros nions (pH alto). Como a acidez do solo predomina na maioria dos solos, o efeito do H+, tem maior relevncia. Uma influncia tpica do pH externo na taxa de absoro de um ction mostrado na Figura 2.2. Quando a concentrao do H+ aumenta (reduo do pH), a absoro de K+ diminui drasticamente, principalmente na ausncia de Ca++, havendo inclusive um efluxo de K+. A adio de Ca++ reduz o efluxo e K+ induzido pelo excesso de H. Evidencia-se deste modo, o efeito protetor e regulatrio do Ca++ nvel de membrana. O H+ afeta adversamente o mecanismo de transporte de ons, e a permeabilidade das membranas celulares, provavelmente pelo decrscimo da eficincia da bomba H+-ATPase, que reduz o efluxo de H+ para o exterior celular, aumentando assim a absoro passiva de H+. Em conseqncia da absoro passiva de prtons h uma reduo do potencial eletroqumico de membrana e conseqente inibio na absoro de ctions. O excesso de H+ causa tambm aumento descontrolado na permeabilidade da membrana uma vez que ele substitui o Ca, que por sua vez indispensvel para a correta manuteno da permeabilidade e integridade da membrana plasmtica (ver funes dos nutrientes). O efeito indireto na absoro de nutrientes deve-se principalmente a disponibilidade dos elementos minerais condicionado ao pH do solo. O pH afeta diretamente a disponibilidade do elementos minerais no solo (Figura 2.3).

Figura 2.3 - Absoro lquida de K+ de 5 mM de KBr por razes de cevada em relao a variao do pH externo, com (+ Ca) e sem (- Ca+) suprimento de clcio. 15

UEM - Nutrio Mineral de Plantas A disponibilidade de ons em geral, mxima na faixa de pH 6 a 7 para os macronutrientes, sendo que nesta faixa no h grande limitao para os micronutrientes (Figura 2.4). Como o exposto anteriormente, a maioria dos solos do territrio brasileiro, principalmente os sob o cerrado, possuem problemas de acidez. Da a importncia da calagem adequada nestes solos.

Figura 2.4 - Relao entre pH e disponibilidade de elementos no solo. Alm da calagem as plantas tambm influenciam no pH do meio, principalmente da rizosfera. As razes podem alterar o pH do meio de diversas maneiras: a. Absoro diferencial de ctions e nions. Quando a absoro de ctions excede de nions as razes excretam H+ reduzindo o pH do meio. Quando a absoro de nions excede a de ctions as razes excretam OH- ou HCO3- elevando o pH do meio. Quando o N, por exemplo, fornecido na forma de NH4 +, a absoro de ctions excede significativamente de nions fazendo com que as razes excretem H+ para o meio externo e, assim, reduzindo o pH. J, quando o N fornecido na forma de NO3- acontece o inverso, isto , a absoro de nions passa a ser maior do que a de ctions resultando na elevao do pH do meio externo (Figura 2.5).

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Figura 2.5 - Variao do pH da soluo externa em relao ao tempo quando plantas de sorgo so suprida somente com NO3-, ou somente com NH4+ ou com ambos na proporo de 8NO3- :1NH4+. Concentrao de N total, 300 mg L-1. (MARSCHNER, 1997). Quando as duas formas so adicionadas concomitantemente, h uma tendncia ao equilbrio do pH (Figura 2.5). b. Produo de CO2 pela respirao radicular. Durante a respirao h a produo de CO2 que ao se dissolver no meio causa reduo do pH do mesmo:C0 2+

H 2O

H 2 CO 3

H + + HCO 3

c. Troca de H+ por microrganismos associados rizosfera.R-C00-H+ + Na+ R-COO-Na+ + H+

d. Excreo de H+ por microrganismos associados rizosfera. As variaes de pH afetam a disponibilidade dos elementos e a permeabilidade das membranas como mencionado anteriormente, e a solubilidade de certos ons. Em geral, pH baixo, favorece a solubilizao, enquanto que pH mais alto, favorece a precipitao de sais e/ou hidrxidos de ctions polivalentes. Por exemplo, Al3+ e Fe3+ so muito solveis em pH abaixo de 4, enquanto que em pH mais elevado podem precipitar na forma de seus hidrxidos ou de fosfato (dependendo dos nveis de fsforo do meio). B. Aerao A absoro ativa de ons dependente de energia metablica (ATP), que provem quase que exclusivamente da respirao. Quando a tenso de O2 diminui, a absoro de ons como o K e o P tambm diminuem, sendo a reduo mais significativa a baixas tensesm, como mostrado no Quadro 2.4. 17

UEM - Nutrio Mineral de Plantas Quadro 2.4 - Efeito da presso parcial de O2 em torno das razes na absoro do potssio e do fosfato por plantas de cevadaaPresso Parcial de Oxignio (%) Absorob Fsforo 100 56 30

Potssio 20 100 5 75 0,5 37 a Baseado em HOPKINS et al. (1950), MARSCHNER, 1997). b Dados representam valores relativos.

A dependncia de energia na absoro, pode tambm ser observada na Figura 2.6, onde se observa o aumento na absoro do fsforo com o aumento na tenso do oxignio em razes destacadas de cevada. Assim, pode-se com propriedade afirmar que a deficincia de oxignio um dos fatores que pode limitar substancialmente o crescimento das plantas em substratos pobremente aerados, como o caso de solos alagados ou compactados. As prticas culturais que aumentam o teor de oxignio no solo, como a arao, gradagem, subsolagem e o plantio direto contribuem para melhorar a eficincia de absoro dos nutrientes. A aerao tem tambm efeito indireto sobre a absoro uma vez que aumenta a disponibilidade dos nutrientes no solo devido; a transformao da matria orgnica (mineralizao), oxidao de elementos como o NH4+ a NO3(ex. bactrias nitrossomonas e nitrobacter), e do S2 a SO42- (forma de enxofre absorvida pelas razes). Todavia, a aerao pode em alguns casos reduzir a disponibilidade de Fe, pela oxidao da forma ferrosa forma frrica (menos absorvida). J a baixa aerao do solo, como ocorre em solos alagados, pode acarretar fitotoxidez pelo excesso de Fe2+ e de Mn2+ acumulado.

Figura 2.6 - Efeito da tenso do O2 sobre a taxa de absoro de P por razes destacadas de cevada (HOPKINS, 1956, citado por MENGEL & KIRKBY, 1987). 18

UEM - Nutrio Mineral de Plantas C. Temperatura Nos processos fsicos, a troca de ctions adsorvidos no espao livre aparente (ELA) muito pouco afetada pela temperatura (Q10* = 1,0 ~ 1,2). Entretanto, reaes qumicas so muito mais dependentes de temperatura. Um aumento na temperatura de 10C aumenta a reao qumica em um fator de 2 (Q10 ~ 2,0). Para reaes bioqumicas valores maiores do que 2 so observados. Da mesma forma, para a absoro de potssio, o Q10 freqentemente maior do que 2, considerando a temperatura dentro de nveis fisiolgicos (Figura 2.7). Uma comparao dos valores de Q10 para a absoro de ons e respirao, revelam que a absoro de ons mais dependente de temperatura do que a respirao, especialmente em baixas temperaturas. Isto pode indicar, que plantas sensveis ao congelamento como o milho, podem restringir a absoro de ons a baixa temperatura em primeira instncia devido a reduo da fluidez da membrana e depresso acentuada da atividade da bomba H+ - ATPase ligada a poro interna da membrana. Em temperaturas supratimas, a respirao aumenta e a absoro diminui (Figura 2.7), indicando uma possvel desnaturao protica da membrana plasmtica, e a conseqente perda da permeabilidade seletiva.

Figura 2.7 - Efeito da temperatura sobre as taxas de respirao (), absoro de P (o ) e de K ( ) por segmentos de raiz de milho (Bravo e URIbe, 1981, citado por MARSCHNER, 1997).*

Refere-se a alterao na taxa de uma reao ou processo (Ex. taxa de transporte na membrana) imposta por uma alterao na temperatura de 10C.

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D. Umidade A gua constitui-se no veculo pelo qual os ons podem atingir a regio de absoro na planta, principalmente pelos processos de difuso e fluxo em massa. Baixo contedo de gua no solo, induz obrigatoriamente a deficincia mineral nas plantas. Um exemplo clssico a deficincia de Ca na planta, demonstrado pela morte apical e pela podrido apical em tomate. Esta ltima uma doena tpica da deficincia de gua no solo, onde o Ca no supre a necessidade da plantas. Assim, verifica-se que no basta que os elementos estejam em quantidade e proporo suficiente, mas preciso, que o teor de gua no solo seja suficiente para a solubilizao e o transporte dos ons. E. on Embora haja a interao dos ons com os grupos carregados no apoplasto da parede celular, a absoro de ons pelas razes determinado primariamente pelo transporte atravs da membrana, em especial a membrana plasmtica. Algumas propriedades fsico qumicas dos ons e de outros solutos como por exemplo o dimetro do on e a valncia, podem determinar a taxa de transporte na membrana. Para ons com a mesma valncia h uma negativa correlao entre a taxa de absoro e o raio do on. Obviamente, outros fatores alm do dimetro inico esto envolvidos na regulao da absoro. Um destes, a afinidade dos transportadores ligados a membrana, ou canais, pelos ons de uma dada valncia. As membranas so constitudas principalmente de fosfolipdios, sulfolipdios e protenas, contendo grupos carregados eletricamente, e os ons interagem com estes grupos. Como regra geral, a fora desta interao aumenta na seguinte ordem: Molculas sem cargas < Cat+ , An- < Cat2+, An2- < Ca3+ , An3+ Assim, a taxa de absoro do on diminui na mesma ordem. O aumento do raio de hidratao com a valncia certamente um fator adicional responsvel por esta ordem. O pH influencia na dissociao dos ons. Um exemplo a absoro de B que cai drasticamente quando o pH aumenta devido a alterao da forma molecular (cido brico) para a forma dissociada (nion borato). O mesmo pode acontecer para fitormnios como o cido abscsico (ABA). F. Interaes entre ons Na soluo externa (solo ou soluo de nutrientes) tanto os ctions como os nions esto presentes em concentraes e formas diferentes. Assim, vrias interaes entre os ons durante sua absoro podem acontecer. As principais interaes so: Inibio e sinergismo. 20

UEM - Nutrio Mineral de Plantas a. Inibio - deve-se a reduo na taxa de absoro de um determinado elemento em virtude da presena de um inibidor. A inibio pode ser competitiva ou no competitiva. A inibio competitiva ocorre quando o elemento compete com o inibibor pelo mesmo stio ativo do transportador ligado a membrana. Neste tipo de competio a inibio imposta pelo inibidor pode ser anulado pela aumento na concentrao do elemento. Na inibio no competitiva o on e o inibidor no competem pelo mesmo stio de absoro do transportador. Neste caso o efeito do inibidor no pode ser revertido com o aumento na concentrao do on. Um exemplo tpico para a inibio no competitiva pode ser observada no Quadro 2.5. para os elementos Ca, Mg e K. Quadro 2.5 - Efeito do K+ e do Ca2+ na absoro de 28Mg por plntulas de cevada (concentrao de cada ction: 0,25 meq L_1)Parte da PlantaMgCl2

Mg absorvido (eq/10 g raiz fresca 8 h 1)MgCl2 + CaSO4 MgCl2 + CaSO4 + KCl

Raiz Parte area

165 88

115 25

15 6,5

Fonte: Baseado em SHIMANSKY (1981) , citado por MARSCHNER, 1997.

Para evitar tais competies imperativo que se estabelea prticas de adubao e calagem de maneira a ter-se um equilbrio de nutrientes na soluo do solo, evitando assim a deficincia na planta por este tipo de competio.

II//V V II + IIC + C ((A )) A II

1 //[[M ]] 1 M

II//V V

II + IIN C + N C

((B )) B II

1 //[[M ]] 1 M

Figura 2.8 - Transformao de Lineweaver Burk para inibio competitiva (A) e no competitiva (B). I =on ou elemento; IC = Inibio competitiva; INC = Inibio no competitiva.(Modificado de MALAVOLTA, 1997). 21

UEM - Nutrio Mineral de Plantas Observa-se na Figura 2.8, que na inibio competitiva, o ponto de interseco da ordenada permanece o mesmo, mudando apenas o coeficiente angular da reta. Neste caso, no h mudana no Vmax, pois aumentando a concentrao do elemento o efeito do inibidor anulado. J, na inibio no competitiva tanto o ponto de interseco na ordenada quando o coeficiente angular alterado, havendo desta forma mudana no Vmax, uma vez que o aumento na concentrao do inibidor (I) o efeito do elemento no anulado. Todavia, no h mudana no Km. b. Sinergismo - deve-se ao estmulo positivo na absoro de um elemento pela presena de outro. Um exemplo de sinergismo o estmulo a absoro de ctions e nions na presena do Ca em baixa concentrao (efeito VIETS). O Mg2+ tambm aumenta a absoro do fsforo. Alguns exemplos do efeito interinico podem ser apreciados no Quadro 2.6. Quadro 2.6 - Efeitos interinicos de alguns elementos

G. Micorrizas As micorrizas so associaes simbiticas entre certos tipos de fungos com as razes das plantas. A associao micorrzica se caracteriza por um contato ntimo e perfeita integrao morfolgica e, pela troca de metablitos entre os simbiontes. As micorrizas ocorrem na maioria das espcies vegetais superiores, sendo a colonizao das razes pelos fungos estimulada pela liberao de substncias orgnicas pelas plantas e por microrganismos do solo. 22

UEM - Nutrio Mineral de Plantas O estabelecimento do fungo representa um dreno bastante elevado de fotoassimilados da parte area para as razes. O tecido fngico, dependendo do tipo de micorriza, pode drenar e acumular de 10 a 45% dos fotoassimilados transferidos para as razes. Os benefcios da simbiose para a planta dependem, pois, do balano entre este dreno causado pelo fungo e da capacidade de promover modificaes que favorecem o crescimento da planta. Os principais tipos de micorrizas podem ser visualizados na Figura 2.9.

FIGURA 2.9 - Representao esquemtica das principais caractersticas estruturais de micorrizas vesculo-arbuscular (VA) ( esquerda), e de ectomicorrizas ( direita). RM, rizomorfas. As ectomicorrizas, encontradas principalmente em espcies arbreas de clima temperado, caracterizam-se pela formao de um compacto manto micelial em torno das razes colonizadas. O fungo penetra, tambm, nos espaos intercelulares do crtex das razes da planta hospedeira formando uma rede micelial denominada rede de Hartig. Filamentos de hifas no manto micelial podem estender-se no solo, a vrios centmetros das razes infectadas, absorvendo nutrientes da soluo do solo que normalmente no podem ser alcanados pelas razes das plantas. As micorrizas vesculo-arbusculares (VA), presentes em quase 80% das espcies vegetais, caracterizam-se pela penetrao inter e intracelular do miclio do fungo. O miclio penetrando numa clula desenvolve um complexo sistema de ramificaes que mantm um ntimo contato com a membrana plasmtica da clula hospedeira. H, em conseqncia, grande expanso superficial da membrana plasmtica favorecendo as trocas de metablitos entre os simbiontes. Os principais benefcios atribudos a associao micorrzica so: a. Aumento na rea superficial de absoro. O manto micelial se estende por vrios centmetros no solo aumentando enormemente a superfcie de contato/absoro de gua e sais minerais do sistema simbitico. De acordo com a estimativa de HARLEY (1989) as razes micorrizadas podem ter sua rea superficial aumentada em at 1000 vezes. 23

UEM - Nutrio Mineral de Plantas b. Aumento na eficincia dos mecanismos de absoro de nutrientes minerais. O fungo pode secretar enzimas hidrolticas (fosfatases cidas, por exemplo) que aumentam a disponibilidade de certos substratos ou pode contribuir para um aumento na eficincia dos mecanismos de absoro refletidos em aumento de Vmax e diminuio de Km e de Cmin (ver item 4.3 Cintica de absoro). Quadro 2.7 - Efeito da colonizao das razes de Pinus caribaea com Pisolithus tinctorius sobre a produo de matria seca e fresca e sobre as constantes cinticas da absoro de PCondio da raiz Infeco (%) No Micorrizada Micorrizada 0 87 Peso da Mat. Fresca (g) 8,2 12,3 Constantes Cinticasmole g_1 h-1 M M

0,23 0,30

16,4 3,9

12,0 0,3

FONTE: PACHECO & CAMBRAIA, 1992.

As razes micorrizadas (aproximadamente 87% do sistema radicular) apresentam maiores valores de Vmax e muito mais baixos valores de Km e de Cmin indicando uma maior eficincia na absoro de P do que as no-micorrizadas (Quadro 2.7). Resultados como estes tm sido constatados no somente em ecto- mas tambm em endomicorrizas, tanto para P como tambm para outros elementos minerais. c. Aumento na resistncia a estresse hdricos e nutricionais. d. Proteo contra patgenos do solo. 2.4.2 - Fatores internos A. Potencialidade gentica O processo de absoro inica est sob o controle gentico. Mesmo entre cultivares pode se encontrar diferenas na capacidade e na velocidade de absoro inica, em decorrncia de vrios fatores como: diferenas nos valores dos parmetros cinticos (Vmax, Km e Cmin), na capacidade de solubilizar elementos na rizosfera, na produo de secrees radiculares, na capacidade de estabelecer simbiose, associaes, etc. Certos cultivares, tolerantes ao alumnio, por exemplo, absorvem em maior proporo o P e o Ca, como um mecanismo de defesa contra este elemento fitotxico.

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UEM - Nutrio Mineral de Plantas B. Estado inico interno A planta possui um sistema de controle interno que permite a modulao da absoro inica. Normalmente quando a concentrao interna aumenta muito, h um mecanismo de ajuste (feedback) que determina a reduo na absoro dos elementos minerais. Como exemplo, pode-se citar a inibio na absoro do sulfato pela cistena e metionina, que so produtos da reduo/ assimilao do sulfato. Como se observa, h um ajuste fino, no s para o sulfato, mas para praticamente todos os elementos controlando a absoro inica. A membrana plasmtica possui grande papel na seletividade dos ons, a serem absorvidos e eliminados pela planta. C. Nvel de carboidratos Durante o processo de absoro radicular, h gasto de energia metablica, especialmente ATP. Este ATP oriundo, em sua grande maioria, da hidrlise dos esqueletos carbnicos (carboidratos) produzidos pelo processo fotossinttico. Assim, de bom senso esperar que o suprimento de carboidratos da parte area para o sistema radicular indispensvel para que a absoro inica radicular acontea. No quadro 2.8, observa-se que a taxa de absoro radicular do K em cevada, decresce com a reduo no suprimento de carboidratos, provavelmente pelos motivos j expostos acima. Quadro 2.8 - Contedo de carboidratos na raiz e a taxa de absoro de K por razes destacadas de cevada Carboidrato(1) (mg glicose/ g raiz fresca) 3,0 1,9 1,5 1,3(1)

Absoro de K (nmol/ g raiz fresca h) 49 36 18 9

Carboidratos totais expressos em unidade de glicose. Marschner (1997).

D. Intensidade transpiratria O aumento da transpirao favorece o fluxo em massa de alguns elementos minerais, em direo a superfcie radicular, o que pode colaborar na absoro. Entretanto, a absoro propriamente dita, no depende da intensidade da transpirao, uma vez que a mesma comandado por processos metablicos com gasto de energia, especialmente por bombas. Estas bombas que determinam a absoro dos ons, portanto, a absoro vai estar vinculada a atividade destas bombas. Uma vez os ons no vaso do xilema, a maior ou menor intensidade da transpirao vai afetar a ascenso dos ons para a parte area, uma vez que os ons so levados segundo um fluxo em massa at a parte area. 25

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3.ABSORO RADICULAR Para o perfeito entendimento de como os ons so absorvidos pelo sistema radicular, importante o conhecimento de algumas caractersticas e propriedades da parede celular e da membrana plasmtica. 3.1 - Parede Celular A parede celular um fino envoltrio celulsico, de aproximadamente 1m de espessura, que envolve e protege o protoplasto. Suas principais funes so: - Dar resistncia mecnica a clula; - Controlar o crescimento celular; - Formar uma barreira mecnica a penetrao de certos microorganismos patognicos; - Regular certas funes celulares. A clula vegetal madura constituda por 3 camadas distintas: - Parede primria: a primeira a se formar e constituda principalmente de celulose, hemicelulose e substncia pcticas; - Parede secundria: difere da parede primria por faltar substncias pcticas e por conter maior porcentagem de celulose (mais fora e rigidez). Pode conter lignina o que torna as clulas mas rgidas e impede o crescimento celular; - Lamela mdia: localiza-se entre as clulas. Constitui um material amorfo, constitudo de substncias pcticas (grande quantidade de Ca). Tem a funo de manter as clulas coesas e cimentadas. Grande nmero de orifcios (pontuaes) ocorrem na parede secundria em vrias disposies e tamanhos (ficando a parede celular resumida parede primria), conectando as clulas adjacentes. Esta conexo feita por plasmodesmas que interconectam as clulas permitindo a troca de elementos minerais e outros materiais (Figura 3.0).

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Figura 3.0 - Diagrama da ultraestrutura de um plasmodesma. RE = Retculo endoplasmtico. Os elementos minerais para atingir a membrana plasmtica, primeiramente devem passar pela parede celular. A difuso atravs da parede celular depende: a. Espao molecular H entre as microfibrilas e entre as micelas espaos, chamados interfibrilares, que possuem dimetro mdio de 10 e 1 nm, respectivamente. O tamanho destes espaos podem ser reduzido, at certo ponto, pela presena de matriz amorfa. Mesmo assim, a gua e os pequenos solutos possuem dimetro inferior a estes espaos, como se pode observar no Quadro 3.0, portanto, no h impedimento fsico para os elementos minerais. Quadro 3.0 - Tamanho de vrios solutos Tamanho No Hidr. Hidratado 0,39 0,89 0,27 0,30 0,54 Tamanho No Hidr. Hidratado 0,13 0,20 0,36 0,92 0,88 0,50

Soluto H20 Glicose Na+ NH4+

Soluto Mg2+ Ca2+ Cl-

Obs.: O coeficiente de permeabilidade (Pj) de um pequeno soluto carregado eletricamente atravs da PC, pode ser at 1.000.000 vezes maior do que atravs da membrana plasmtica.

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UEM - Nutrio Mineral de Plantas b. Cargas eltricas A penetrao de solutos em tecidos vegetais, como o radicular por exemplo, seque quase sempre uma isoterma como a que segue:

Absoro de Soluto

Fase 1

Fase 2

Temperatura Normal sem veneno metablico

AbsoroBaixa Temperatura ou com veneno metablico

ELA Tempo Figura 3.1 - Absoro em funo do tempo

Como se observa na Figura 3.1, a penetrao de solutos em tecidos vegetais em funo do tempo exibe basicamente duas fases: a) Uma fase 1 rpida, com t1/2 * de saturao do sistema de poucos minutos, no influenciadas por baixas temperaturas e por venenos metablicos. Esta fase passiva e corresponde a ocupao do espao livre aparente (ELA) ou apoplasto. b) Uma fase 2 lenta, linear e que leva vrias horas para se completar. Esta fase eliminada por baixas temperaturas e por venenos metablicos, sendo, portanto, ativa ou metablica. Corresponde passagem do soluto atravs de uma membrana celular e, portanto, constitui o que se pode chamar de absoro verdadeira. O ELA corresponde a 8 a 15 % do volume total do tecido e constitudo de espao livre de Donnan (ELD) e espao livre gua (ELW). O ELD corresponde a cerca de 2% do volume total do tecido, e o local possuidor de carga eltrica lquida onde os ons podem ser adsorvidos (Figura 3.2). A parede celular possui grupos ionizveis que produzem carga eltrica negativa (grupos carboxlicos livres das pectinas) e/ou carga eltrica positiva (glicoprotenas). A primeira predomina amplamente sobre a segunda, de tal forma que a raiz considerada um trocador de ctions. As dicotiledneas possuem, em geral maior CTC.* 1/2

t

tempo necessrio para saturar 50% do sistema

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Figura 3.2 - Diagrama esquemtico do sistema de poros do Espao Livre Aparente; Espao Livre de Donnan (ELD) e Espao Livre a gua (ELW). 3.2 - Membrana Plasmtica A membrana plasmtica uma estrutura lipoprotica extremamente fina (8 a 10 nm) que separa o protoplasto do meio exterior. Constitui uma efetiva barreira livre movimentao de solutos, controlando o fluxo para dentro e para fora das clulas. Entretanto, no uma barreira meramente passiva. Possui vrios tipos de protenas especializadas na promoo ou catlise de vrios eventos metablicos. So providas de bombas, transdutores de energia, receptores na sua superfcie, logo, controlam a composio quantitativa e qualitativa do citoplasma influenciando profundamente no metabolismo celular. Funes bsicas As funes bsicas principais so: a. Permeabilidade Seletiva A membrana plasmtica capaz de diferenciar dentre os diferentes solutos disponveis no meio externo promovendo a absoro de uns em detrimento de outros. A base da seletividade no bem conhecida, mas pode ser explicada em parte pela fora do campo eltrico do stio de ligao/absoro no transportador ou no canal inico.

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UEM - Nutrio Mineral de Plantas b. Participao na transferncia de energia A membrana utiliza o ATP para o transporte ativo de ons propriamente dito. Acredita-se que a energia liberada na hidrlise do ATP seja utilizada para formas um estado de alta energia que ao ser dissipado permite o movimento do on contra seu gradiente de potencial eletroqumico. A membrana no apresenta apenas atividade ATPsica, isto , capacidade de hidrolisar o ATP liberando a energia, mas, tambm, mantm o gradiente de potencial eletroqumico at o momento de executar o movimento do soluto. Composio Qumica A composio qumica das membranas varia com o tipo de membrana, com o tipo de tecido e com o organismo considerado, como pode ser observado no Quadro 3.1. Quadro 3.1 - Composio qumica da membrana plasmtica de razes de aveia Composio Qumica Protena (mg/mg MS) Lipdios (mg/mg MS) Relao Lipdio/Protena Fosfolipdios (% do total)KEENAN et alii. Cytobios 7:103-112. 1973.

Membrana Plasmtica 0,364 (46,1%) 0,426 (53,9%) 1,17 28,60

Membranas Totais 0,444 (59,2%) 0,306 (40,8%) 0,69 38,20

Neste caso, verifica-se que a membrana plasmtica constituda de 46% de protenas e de 54% de lipdios. As membranas de organelas, tais como cloroplastos e mitocndrias, por exemplo, so mais ricas em protenas do que a membrana plasmtica (membranas totais). A grosso modo, admite-se que a membranas plasmticas, em mdia, possuem 50% de protena e 50 % de lipdios. a. Protenas So em sua maioria globulares (6 a 8 nm de dimetro) e apresentam grande quantidade de alfa hlice em sua estrutura (40%). A maior parte destas protenas encontra-se na face citoplasmtica da membrana plasmtica, as quais possuem funes catalticas, entre elas: ATPase, 5 - nucleotidase, fosfatase alcalina e cida, etc. Quanto a localizao na estrutura da membrana, as protenas podem ser classificadas em: - Intrnsecas ou integrais: penetram profundamente na estrutura da bicamada, interagindo fortemente com os lipdios (pontes de H, interaes eletrostticas, foras de van der waals entre os grupos apolares). Constituem de 70 a 80% da protena total presente na membrana (Figura 3.3). So as principais responsveis na transferncia de ons e outras substncias para ambos os lados da membrana. 30

UEM - Nutrio Mineral de Plantas - Extrnsecas ou perifricas: quando se associam fracamente a superfcie da membrana, constituindo 20 a 30 % da protena total das membranas.

Figura 3.3 - Modelo de uma biomembrana com lipdios polares, protenas extrnsecas e intrnsecas. Esta ltima pode atravessar a membrana para formar os canais proticos (MARSCHNER,1997). b. Lipdios So em sua maioria de natureza anfiptica (poro polar e apolar na mesma molcula). Formam lipossomos (microscpicos agregados esfricos) em soluo aquosa, com a poro polar voltada para fora da bicamada, sendo bastante estveis devidas a interaes hidrofbicas (entre grupos apolares) e interaes hidroflicas ( isto , entre grupos polares). gua gua

Lipossomo

gua

Os principais lipdios de membrana plasmtica de folhas de espinafre so: Componente Fosfolipdios Esfingolipdios Glicolipdios Esteris % do lipdio total 63,8 13,6 2,7 19,9 31

UEM - Nutrio Mineral de Plantas c. Fosfolipdios Os fosfolipdios so os mais importantes, e constituem de 20 a 60% do lipdio total das membranas. So diacilgliceris aos quais est esterificado um cido fosfrico. Os principais so: cido fosfatdico, fosfatidil colina, fosfatidil etanolamina, fosfatidil inositol e fosfatidil serina. Os principais cidos graxos presentes na frao lipdica de membrana plasmtica so: cido palmtico (16:0), cido esterico (18:0), cido olico (18:1), cido linolico (18:2) e cido linolnico (18:3). O grau de insaturao importante fator de adaptao de plantas baixas temperaturas, uma vez que quanto maior o grau de insaturao do cido graxo menor o ponto de fuso. A tolerncia de espcies ao frio, esto relacionadas em grande parte, a capacidades que estas espcies tem de alterar a composio dos cidos graxos menos insaturados por cidos graxos mais insaturados (maior nmero de ligaes duplas. d. Glicolipdios So diacilgliceris aos quais esto esterificados uma ou mais unidades monossacardicas de glicose ou galactose. Os dois principais so: monogalactosil e digalactosil. e. Esfingolipdios 0s esfingolipdios so derivados da esfingosina. Permeabilidade das membranas

A membrana plasmtica uma bicamada semifludica de lipdios onde esto mergulhados glbulos de protena. Os solutos, para atravessar a membrana, podem faz-lo atravs da camada lipdica ou atravs de protenas (transportador ou canal inico). Assim, a seletividade ou permeabilidade depende, entre outros fatores do tipo de soluto e da rota metablica a ser percorrida (via camada lipdica ou protica), podendo ter, desta forma, componentes passivos e/ou metablicos. A membrana plasmtica por ser essencialmente apolar, apresenta forte restrio ao movimento de solutos polares (ons por exemplo). A permeabilidade das membranas, depende tambm em grande parte do peso molecular e da polaridade do soluto em questo. Alm destes fatores a permeabilidade da membrana depende da: a. Temperatura - o aumento da temperatura aumenta a vibrao das molculas constituintes da membrana, aumentando a permeabilidade das membranas b. Energia metablica - a manuteno da estrutura e da funo das membranas importa em gasto de energia metablica. Assim, qualquer fator que afete a produo de energia (tenso de oxignio, venenos metablicos, etc) provoca aumento na permeabilidade das membranas. 32

UEM - Nutrio Mineral de Plantas c. ons orgnicos - podem apresentar efeitos gerais e especficos. Os ctions monovalentes ao interagirem com o sistema gua/macromolcula, promovem a contrao das protenas com o afrouxamento da camada lipdica, aumentando a permeabilidade das membranas. Os ctions divalentes tem efeito exatamente oposto sobre a permeabilidade das membranas. A explicao para este comportamento no est ainda bem clara. 3.3. Sistemas de transporte atravs da membrana A membrana plasmtica, bem como outras membranas celulares, controla intenso transporte de solutos para dentro e para fora das clulas (Figuras 3.4). Os principais sistemas de transporte operando nestas membranas so: A) Transporte Passivo O transporte passivo engloba todas as formas de transporte de soluto que se fazem favor do gradiente de potencial eletroqumico sem gasto direto de energia. Os principais tipos so: a) Difuso Simples atravs da bicamada lipdica. Possui pequena importncia para ons que encontram elevada resistncia nesta fase. As principais substncias que se movem por este processo so principalmente gases como 02, N2 e CH4. b) Difuso facilitada em que o movimento atravs da membrana intermediado por transportadores ou permeases, como a permease de glicose em eritrcitos. c) Difuso atravs de canais inicos ou difuso atravs de poros formados por protenas embebidas na matriz lipidal das membranas.

B) Transporte Ativo O transporte ativo engloba, basicamente, duas modalidades de transporte: a) Transporte ativo primrio: refere-se ao transporte atravs de uma membrana contra o seu gradiente de potencial eletroqumico, sempre com gasto direto de energia metablica (ATP, luz, etc). Este tipo de transporte intermeado por H+-ATPases das quais so conhecidas trs: ATPase P (membrana plasmtica), ATPase V (vacolo) e ATPase F (membrana do tilacide). b) Transporte ativo secundrio: este tipo de transporte, gasta indiretamente a energia de gradiente eletroqumicos produzidos pelo transporte ativo primrio. Pode ser simporte, antiporte ou uniporte (Figura 3.5). 33

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Figura 3.4 - Principais mecanismos de transporte na membrana plasmtica. (A) H+-ATPase; (B) Canal inico; (C) Transportador; (D)Protenas acopladas a percepo de sinal e transduo. (MARSCHNER, 1997). Quando o on atravessa sozinho a membrana dito uniporte. Quando dois ons entram juntos, no mesmo sentido dito simporte. J, quando dois ons passam ao mesmo tempo pela protena, mas em sentidos opostos dito antiporte. Estes dois ltimos so considerados sistemas em co-transporte.

Figura 3.5 Esquema mostrando o tipo de transporte secundrio na membrana. No Quadro 3.2 est sumarizado os principais tipos de transportes.

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UEM - Nutrio Mineral de Plantas Quadro 3.2 - Sumrio dos principais tipos de transporte Tipo de Transporte 1 1. PASSIVO Difuso Simples Difuso Facilitada Canais Inicos 2. ATIVO Primrio Secundrio no sim sim sim sim 2 no sim no sim sim Caractersticas 3 4 no no no sim no no no sim sim sim

5

6

gradiente

104 -106ATP, luzgradiente

500

1- Mediado por molculas de protena; 2 - Saturvel com a concentrao do substrato; 3 - Produz gradiente de potencial eletroqumico; 4 - Dependente de energia; 5 - Fonte de energia; 6 Nmero de molculas transportadas/ molcula de protenas (Lehninger, 1993).

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UEM - Nutrio Mineral de PlantasADENDRO ATPases Tanto a membrana plasmtica como o tonoplasto e outras membranas intracelulares possuem diversas ATPases: ATPases cidas, ATPases ativadas por ctions e nions monovalentes, ATPases ativadas por prtons, ATPases ativadas por ctions divalentes, etc. Acredita-se que algumas delas esto envolvidas direta ou indiretamente envolvidas no transporte de ons. Tipos de ATPases A. Bomba de prtons A bomba de prtons ou, tambm, bomba extrusora de prtons uma H -ATPase localizada na membrana plasmtica que promove a extruso de prtons do citossol gerando um gradiente eletroqumico de prtons atravs desta membrana ao longo do qual pode ocorrer simporte ou antiporte de solutos. As principais funes fisiolgicas atribudas a ela so: a. Controle do pH intra e extracelular A alcalinizao resultante do bombeamento dos prtons para o meio exterior ativa a sntese de cido mlico, considerado um dos cidos orgnicos mais importantes no controle do pH intracelular. b. Controle do crescimento celular H em funo do gradiente de prtons, o transporte de nutrientes, principalmente K , e de gua que vo produzir a presso hidrosttica necessria para o rompimento da parede celular. O rompimento da parede celular facilitado por um enfraquecimento das ligaes entre as macromolculas pela presena fsica dos prtons e pela liberao de fatores induzidos pela sntese de auxina na presena de prtons. c) Quebra de Dormncia em sementes d) Desenvolvimento de polaridade em clulas e rgos em crescimento+ +

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UEM - Nutrio Mineral de PlantasEstrutura Mecanismo de Ao A H -ATPase uma protena com peso molecular em torno de 100 kD, cuja estrutura provvel mostrado na Figura 1.+

Exterior Celular

Canal de Cation ?

Citoplasma D. Fosfatase

PCOOH

NH2Domnio Transduo+

Domnio Cinase

Domnio auto-inibitrio

:

Figura 1 Modelo estrutural hipottico para a H -ATPase

Como se observa o polipeptdio ao interagir com a bicamada de lipdios forma 4 regies bioquimicamente importantes: Uma regio de atividade fosfatsica Uma regio de transduo Uma regio de atividade de cinase + Um canal para ctions, por onde o H , provavelmente, se desloca.+

Os prtons transportados pela H -ATPase originam-se provavelmente da molcula de gua e movem-se atravs de um canal para ctions da prpria molcula protica: ATP + H20 ADP4-3

+ HP04

2-

+H

+

O nmero de prtons transportados por ATP hidrolizado aproximadamente igual a 1. Modelo de Funcionamento Existem trs hipteses de funcionamento da H -ATPase: - O K ativa a bomba de prtons e trocado por prtons + - O K ativa (do lado citoplasmtico) mas no transportado pela bomba de prtons + + - O K ativa mas transportado atravs de um canal de K associado com a enzima.+ +

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UEM - Nutrio Mineral de PlantasEstas possibilidade de funcionamento esto sugeridas no modelo apresentado a seguir:

Figura 2 Modelo de funcionamento da H -ATPase. Como se observa, a H -ATPase da membrana plasmtica promove a extruso de prtons com gasto de ATP gerando um gradiente de pH ou de cargas eltricas que pode ser usado para o + antiporte ou uniporte de ctions e para o simporte de nions. A mesma H -ATPase no tonoplasto, entretanto, bombeia prtons para o vacolo gerando tambm um gradiente de pH que possibilita + + um antiporte de H /K e, possivelmente, um, simporte de nion acoplado ao bombeamento dos prtons. + Neste modelo a se prope, tambm, a existncia de uma H -ATPase vacuolar, sensvel a Cl , que bombearia prtons do citossol para o vacolo. B. Ca - ATPase A Ca - ATPase uma ATPase dependente de Mg e estimulada por calmodulina ( uma protena de baixo peso molecular e relacionada com diversas funes metablicas do clcio) que 2+ catalisa o bombeamento de Ca do citossol para o meio externo ou para dentro de organelas 2+ celulares. A sua atividade cresce com o aumento da concentrao de Ca at 25 M (in vitro), passando a decrescer acima deste valor, sendo o pH timo de 7,25. 2+ 2+ 2+ 2+> 2+ 2+ A seqncia de ativao por ctions divalentes : Ca >Sr >Mn >Cu Co >Ba . A principal funo desta ATPase parece ser a manuteno da concentrao citosslica de 2+ Ca abaixo de 0,1 M. CANAIS INICOS Canais inicos so aberturas ou poros formados dentro de/ou por molculas de protenas transmembranas que permitem um movimento difusional de ons a favor de seus gradientes eletroqumicos. Estes gradientes eletroqumicos so produzidos por bombas eletrognicas, como + por exemplo a H -ATPase, com gasto de energia metablica. Em conseqncia do estabelecimento destes gradientes que podem ser de pH ou de cargas eltricas observa-se a2+ 2+ 2+ +

+

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UEM - Nutrio Mineral de Plantaspolarizao das membranas ( o potencial de membrana EM pode atingir 200 mV ou mais). O movimento difusional atravs dos canais inicos que se segue promove uma rpida despolarizao do sistema com o potencial de membrana subindo para 0 mV em aproximadamente 100 ms. A repolarizao da membrana, isto , o retorno do potencial de membrana para valores de 100 a 200 mV mais lento, levando cerca de 2 s para se completar. A estrutura molecular dos canais inicos ainda no conhecida mas sabe-se que eles possuem: - Vestbulos afunilados que, provavelmente, contm resduo de aminocidos polares e/ou ionizados capazes de atrair os ons permeantes encaminhando-os entrada do canal. - O poro ou canal, propriamente dito, com filtro de seletividade. O poro basicamente, um cilindro distorcido formado pela protena atravs da camada lipdica. Na face externa possui grupos hidrofbicos que interagem com os lipdios, mas na face interna inmeros grupos hidroflicos alinhados ao longo do cilindro formando o chamado filtro de seletividade. Dependendo da fora do campo eltrico gerado pelos grupos ionizados do canal e da fora de hidratao destes ons, eles ao penetrarem nestes poros sero total ou parcialmente desidratados produzindo determinadas seqncias de seletividade. - Porto que controla a abertura/fechamento do poro. Esta abertura/fechamento, muito provavelmente, determinada por mudanas estruturais da molcula protica. - Acredita-se que haja um determinado stio na molcula protica ou se associa a ela um sensor que seria capaz de detectar a influncia de certos fatores como luz, hormnios, etc. Um modelo proposto por HILLE (1984) mostrado na Figura 3.

Figura 3 Modelo de canal inico Fatores que afetam a abertura do canal inico a) Diferenas de potencial eltrico. Alguns so abertos por hiperpolarizao e outros por uma despolarizao da membrana. 2+ + b) Concentrao de ons tais como: Ca e H c) Luz 2+ d) Hormnios. Diversos estudos sugerem que o canal de Ca podem ser controlados pelos 2+ nveis de ABA. Este canal de Ca -ativado por ABA, entretanto, passa a ser pouco seletivo + permitindo um efluxo paralelo de K .

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UEM - Nutrio Mineral de PlantasSeletividade dos canais inicos A seletividade dos canais inicos determinada por: a) Tamanho molecular b) Carga eltrica da molcula c) Fora do campo eltrico do canal Esta fora seria controlada pela presena, pelo grau de exposio e pela ionizao de grupos, alinhados ao longo da superfcie interna dos canais, tais como: + Grupos ionizados: -C00-; -HP04 ; -NH3 Grupos no-ionizados: =C=0 A energia requerida para mover um on da gua para o interior do canal seria dada pela diferena entre a energia de hidratao e a energia da interao com as cargas eltricas dos canal. Os principais canais so: - Canais de Ca - Canais de Cl + - Canais de K2+

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4.MOVIMENTO RADIAL DOS ONS Uma das caractersticas mais importantes das razes a sua capacidade de absorver e transportar ons do solo at o xilema e da at a parte area. Nesta parte da apostila, sero considerados trs aspectos do movimento radial de ons nas razes: a) A rota percorrida pelos ons b) O(s) mecanismo(s) de transporte c) A polaridade do transporte 4.1. Rotas do movimento radial Os ons ao se moverem radialmente para o xilema podem percorrer duas rotas (ou vias): - Rota apoplstica - Rota simplstica a. Apoplasto O apoplasto consiste em um sistema interconectado de paredes celulares e espaos intercelulares e , tambm conhecido como espao livre aparente (Figura 3.2). Nesta poro das razes a gua e os ons inorgnicos movimentamse livremente sem nenhuma restrio. A penetrao de solutos neste espao rpida e, no afetada por baixas temperaturas ou por inibidores metablicos, sendo, portanto, inteiramente passiva e no envolvendo nenhuma membrana biolgica (ver item 3.1). Existem diversos mtodos de avaliao do espao livre aparente. Dentre estes, os mais usados atualmente, envolvem a utilizao de substncias coloridas ou istopos radioativos que no atravessam significativamente a membrana. Segundo a maior parte das medies, o espao livre aparente, constitui, em mdia, de 10 a 15% do volume total das razes. Experimentos com sais coloridos ou derivados de metais pesados, como acetato de uranila e hidrxido de lantnio, tm demonstrado que o limite, no interior das razes, livre absoro de sais imposto por uma camada de clulas em torno do estelo, chamada endoderme (Figura 4.0).

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Figura 4.0 Rotas do movimento de ons da superfcie radicular at o xilema. (A) Rota simplsmica ou simplstica; (B) Rota apoplstica. As paredes das clulas da endoderme apresentam uma camada de suberizao fortemente aderida a membrana plasmtica que impede a passagem dos ons pelas paredes celulares ou entre clulas para os vasos do xilema, denominada de faixa de Caspari. O efeito da quebra da integridade estrutural da endoderme na absoro de fosfato pode ser observado no Quadro 4.0.

Quadro 4.0 - Efeito da quebra da integridade estrutural da endoderme na absoro de fosfato Perodo de absoro (h) 0 0,25 04 Estado do Segmento acumulado Intacto End. danificada Intacto End. danificada 3,4 0,3 21,0 0,3 Fosfato (pmoles/s) transportado 0,3 3,5 2,5 54,0 total 3,7 3,8 23,5 54,3

No segmento danificado, o crtex das razes foi removido ficando apenas o estelo; por observao microscpica, se constatou a quebra da integridade estrutural da endoderme.

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UEM - Nutrio Mineral de Plantas b. Simplasto Denomina-se simplasma ou simplasto ao continuum citoplasmtico. Este continuum possvel atravs de inmeras plasmodesmas interligando as diversas clulas. Os detalhes de sua estrutura fina ainda no so perfeitamente conhecidos mas sabe-se que existem algumas variaes. Em algumas plantas so simples poros, mas em outras so mais complexos, com o retculo endoplasmtico atravessando-os de uma clulas para outra (Figura 3.0). O centro da plasmodesma ocupado pelo chamado desmotbulo que contnuo com o retculo endoplasmtico de duas clulas adjacentes. A membrana plasmtica est em ntimo contato com as duas extremidades do desmotbulo, dificultando a passagem de solutos maiores de uma clula para outra. Existe, portanto, duas rotas possveis: a) Pelo nulo citoplasmtico, em torno do desmotbulo b) Pelo desmotbulo para as cisternas e canalculos do retculo endoplasmtico. O nmero de plasmodesmas por clula bastante varivel com a espcie vegetal, conforme se observa no Quadro 4.1. Quadro 4.1 - Freqncia estimada de plasmodesmas em certas espcies vegetais Planta Aveia Milho Cevada Trigo Tecido Clulas corticais Clulas meristemticas da ponta da raiz Clulas da endoderme (a 1 cm da ponta) Clulas da endoderme (a 5 mm da ponta) Plasmodesmas/m2 3,6 14,9 0,6 0,6

Em geral, o maior nmero de plasmodesmas encontram-se naqueles locais em que h necessidade de boa comunicao entre as clulas. Nas razes, especialmente, as plasmodesmas so numerosas entre as clulas para facilitar a absoro e o transporte de substncias. Segundo estimativas recentes as clulas meristemticas de milho esto interligadas por cerca de 1000 a 100.000 plasmodesmas. c. Movimento dos ons at o xilema Tendo-se em mente que existem duas rotas possveis para o movimento radial, a questo agora saber qual ser seguida pelo soluto? Ou ainda, que fatores predispem os solutos a seguirem ao longo delas? H fortes evidncias de que os ons no seu movimento radial percorrem, pelo menos em parte do percurso, rota simplsmica: 43

UEM - Nutrio Mineral de Plantas a) A absoro de ons inibida por inibidores de sntese de protenas como por exemplo cloranfenicol. b) A relao de fluxos (Ussing-Teorell) indica que a passagem de ons, principalmente nions, atravs do cilindro cortical ativa e, provavelmente, simplsmica . As duas rotas, entretanto, no precisam ser necessariamente exclusivas. Na realidade, acredita-se, que os ons percorram certa distncia no apoplasto por ser mais fcil a rota, mas encontrando um stio de absoro disponvel penetram no protoplasma. Da em diante moveriam-se para o xilema via simplasma. A estrutura e as propriedades da endoderme sugerem que a partir de certo ponto todos os ons precisam atravessar a membrana plasmtica e penetrar no simplasma para evitar a barreira imposta pela faixa de Caspari (Figura 4.1).

Figura 4.1 Representao diagramtica das rotas possveis ao movimento radial de ons nas razes. (1) = Rota simplstica; (2) = Rota apoplstica.

Uma vez que a seletividade radicular imposta pela endoderme, qual seria, ento, a razo funcional das clulas do crtex? Embora no se saiba a resposta exata a esta questo algumas respostas especulativas j foram aventadas. Uma delas seria a do crtex, aumentar a rea superficial de membranas, isto , a rea efetiva das razes, propiciando maior contato com a soluo externa e, portanto, maior absoro. 4.2. Mecanismo do transporte radial O mecanismo de transporte radial ainda no foi perfeitamente elucidado e vrias hipteses tm sido aventadas na tentativa de se encontrar uma explicao plausvel para o fenmeno.

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UEM - Nutrio Mineral de Plantas a. Hiptese de Crafts & Broyer Uma das primeiras hipteses aventadas para explicar o movimento radial dos ons foi sugerida por CRAFTS & BROYER (1938). Segundo esta hiptese os ons seriam absorvidos e acumulados no citoplasma das clulas corticais por um processo ativo operando na membrana plasmtica destas clulas. Os ons acumulados, ento se moveriam no simplasma ao longo de um gradiente decrescente de concentrao at o sistema vascular e, finalmente, vazariam para os vasos do xilema. Segundo eles as clulas mais internas das razes, prximas dos vasos do xilema, estariam sob deficincia de oxignio e, portanto, teriam membranas mais permeveis permitindo o citado vazamento. A existncia de transporte ativo operando nas membranas plasmticas das clulas epidrmicas e corticais e o transporte simplsmico para o interior da raiz so, geralmente, aceitos e, at mesmo, incorporados em outras hipteses. A segunda hiptese de Crafts & Broyer, contudo, matria de controvrsia. BOWLING (1973), ao medir a presso parcial de oxignio em razes de girassol, encontrou apenas um ligeiro gradiente de 02 que, provavelmente, no seria suficiente para explicar o vazamento das clulas estelares. Alm disso, foi demonstrando que a ction-ATPases de clulas corticais e estelares possuam aproximadamente a mesma atividade. b. Hiptese da bomba estelar Segundo esta hiptese as clulas do parnquima do xilema teriam basicamente duas funes: uma de acumular ons e outra de secret-los nos vasos do xilema. A hiptese encontra forte apoio em vrios experimentos de localizao citolgica. Como se observa no Quadro 4.2, a maioria das determinaes, realmente, mostra acmulo de ons nas clulas do parnquima xilemtico. Estas determinaes tm, contudo, a desvantagem de se referir a reas e no a volumes como seria suficientemente boa para distinguir o compartimento celular que est sendo avaliado. Quadro 4.2 Perfis de distribuio dos ons atravs da raizMaterial vegetal on Milho Milho Cevada Milho Milho S042P Ca K K Distribuio lateral EN PE P-XI 1,5 4,4 1,6 10,0 115,0 3,5 2,0 12,0 107,0 14,5 2,3 39,0 111,0 Mtodo de localizaoMicroautografia Microautografia Microautografia Micr/sonda/elet. Microeletrodo-K

EP 6,9 0,4 1,0 16,0 100,0

CO 1,5 3,0 0,7 6,0 112,0

XI 18,5 3,8 0,7 4,0 -

obs.: EP: epiderme; CO: crtex; EN: endoderme; PE: periciclo; P-XI: parnquima do xilema; XI: xilema.

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UEM - Nutrio Mineral de Plantas Investigaes da ultraestrutura mostram que estas clulas possuem grande quantidade de retculo endoplasmtico e de mitocndrias e, portanto, so metabolicamente ativas. Alm disso, so estruturalmente muito semelhantes s clulas de transferncia e, portanto, podem estar envolvidas na secreo ativa dos ons para os vasos do xilema. As evidncias mais importantes da existncia desta bomba nas clulas do parnquima do xilema, entretanto, resultam da utilizao de inibidores diferenciais dos fluxos dos ons tanto no meio exterior para as clulas corticais como das clulas do parnquima do xilema para os vasos do xilema. Estas evidncias sero abordadas na hiptese das duas bombas. c. Hiptese das duas bombas A hiptese, originalmente proposta por PITMAN (1977), admite a existncia de duas bombas operando radialmente no simplasma: uma nas clulas corticais e outra nas clulas do parnquima do xilema (Figura 4.2).

Xilema Simplasma cx ec Vacolo cv ce xv vc

Figura 4.2 - Representao esquemtica da hiptese das duas bombas. (, bomba). Segundo esta hiptese as foras decisivas na determinao do movimento radial dos ons seriam os fluxos ativos do meio exterior para o crtex ec (carregamento do simplasma) e das clulas do parnquima do xilema para os vasos do xilema, cx (carregamento dos vasos). As primeiras evidncias desta hiptese vem de experimentos utilizando inibidores especficos dos fluxos ec e cx: 1. Pode-se reduzir rpida e consideravelmente pela reduo da concentrao do on no meio externo. O fluxo para o xilema, cx, permanece por algum tempo, mostrando ser independente de ec. 2. Ambos os fluxos, ec e cx so igualmente inibidos pelo desacoplador ClCCP, sugerindo que os dois so metabolicamente dependentes de energia. 46

UEM - Nutrio Mineral de Plantas 3. Os fitormnios cido abscsico (ABA) e benziladenina (sinttico) inibem cx, mas no afeta ec. 4. O inibidor de sntese de protena, cicloheximida, reduz fortemente cx, mas no afetam ec. 5. A substncia p-fluorofenilalanina, anlogo do aminocido fenilalanina, inibe a sntese de protenas e inibe seletivamente cx. Consubstancia esta idia a descoberta de ATPases, igualmente ativas, nas clulas corticais e nas clulas do parnquima do xilema. Esta hiptese atualmente a mais aceita. 4.3. Polaridade do transporte O que determina a polaridade ou a direo do transporte radicular? Ou que foras esto agindo no sistema radicular para determinar o movimento centrpeto dos ons? O fenmeno da exsudao demonstra no somente a polaridade do transporte, como, tambm, deixa claro que ela independente da parte area e do fluxo transpiracional. O efeito de alguns fatores do ambiente sobre a taxa de exsudao sugere que o transporte polar de ons um processo ativo: a) Existe uma relao entre a concentrao de um on na soluo externa e sua concentrao de exsudato. b) A taxa de exsudao inibida por venenos metablicos (CN-, DNP e Arsenato) e baixas temperaturas. Alm disso, experimentos como os de BOWLING et al. (1966) mostram haver uma diferena de potencial eltrico entre a soluo externa e o exsudato de -50 a -60 mV. Para obteno desta informao utilizaram o dispositivo esquematizado na Figura 4.3. Eletrmetro

Exsudato Eletrodo de Referncia

Figura 4.3 - Dispositivo para medio do potencial trans-radicular. Com base nas concentraes dos ons na soluo externa e no exsudato concluram que: 47

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a. Os nion estavam se movendo para o xilema contra o gradiente de potencial eletroqumico e, portanto, ativamente. b. Os ctions, por outro lado, estavam se movendo favor do gradiente de potencial eletroqumico e, portanto, ativamente. O fluxo polar dos on, portanto, parece ser determinado pelo transporte ativo dos nions, com os ctions os acompanhado para manter o balano inico. Trabalhos posteriores demonstraram a existncia de dois componentes na formao deste potencial trans-radicular: um entre o meio exterior e as clulas corticais e outro entre as clulas do periciclo e o exsudato. Este resultado bastante concordante com hiptese das duas bombas e com as evidncias da existncia de duas ATPases nestes pontos. Segundo estas idias, portanto, fenmeno da presso radicular e, consequentemente, a exsudao da seiva xilemtica seria resultante da secreo do nion, mediada por um transportador, para os vasos do xilema. o movimento de gua se daria por osmose em conseqncia da maior concentrao de solutos nos vasos do xilema. 4.3. Cintica de absoro de ons Um dos primeiros estudos de cintica de transporte de ons foi a avaliao da absoro de fosfato em cana-de-acar. Atravs de evidncias deste experimento, estabeleceu-se a hiptese dos carregadores ou transportadores, que funcionavam como uma esteira rolante que movendo continuamente os ons do meio exterior para dentro das razes. Mais tarde a idia evoluiu para um sistema constitudo de subunidades, componentes das membranas, que complexariam atravs da membrana e, ento, os liberariam no citoplasma (Figura 4.4). Soluo externa Membrana I T TI T T Citoplasma

I

Figura 4.4 Representao esquemtica do funcionamento de um transportador de ons. O conceito de transportadores, contudo, somente foi aceito depois de ser estudado por EPSTEIN & HAGEN (1952), os quais aplicaram os princpios de cintica enzimtica de absoro inica. Da mesma maneira que as enzimas transformam o substrato, o transportador formaria um complexo transitrio intermedirio com o on da soluo externa e, por meio de uma mudana de 48

UEM - Nutrio Mineral de Plantas configurao ou um movimento de rotao dentro da bicamada lipdica, o transportaria atravs da membrana (Figura 4.5). E I + + T S ES TI Membrana E T + P + I

Sol. externa

Citoplasma

Figura 4.5 Reaes comparativas entre o transporte de ons e a ao enzimtica. A semelhana das enzimas, a velocidade de absoro do on pode ser obtido, tambm, pela equao de Michaelis-Menten: V = VmaxT onde: V= [I]= Vmax = KM = [I ] [I ] + K M

velocidade de absoro do on concentrao do on na soluo externa velocidade mxima de absoro constante de Michaelis-Menten ( concentrao necessria para se atingir metada de Vmax

A velocidade de absoro de ons em solues de baixas concentrao (0 a 0,2 mM) segue, quase que universalmente, a cintica simples de MichaelisMenten (Figura 4.6).Vmax Velocidade de absoro - V

1/2 Vmax

Km

0,1 Concentrao do on (mM)

0,2

Figura 4.6 Cintica de absoro inica. 49

UEM - Nutrio Mineral de Plantas O valor de Vmax pode ser estimado pela extrapolao da curva a uma concentrao inica infinitamente elevada. Como o Km a concentrao do on na soluo externa em que as razes atingem a metade da velocidade mxima, a partir do valor de Vmax faz-se a estimativa grfica do Km, conforme indicado na Figura 4.6. uma tarefa difcil que resulta, quase sempre, numa estimativa imprecisa destas duas constantes. Estimativas mais precisas podem ser obtidas por outros mtodos grficos. O principal e mais utilizado o grfico de Lineweaver-Burk (Figura 4.7). Neste caso toma-se o inverso da equao de Michaelis Menten: 1 1 1 K = + M V Vmax Vmax [ I ] Assim, da hiprbole retangular da isoterma de absoro (Figura 4.6) consegue-se uma linha reta quando for plotado um grfico relacionando-se 1/V com 1/[on] (Figura 4.7).

I/V I/V Inclinao = Km/Vm Inclinao = Km/Vm Intercepto = -1/Km Intercepto = -1/Km Intercepto Intercepto 0 0

1/ [[ II ]] 1/

Figura 4.7 Grfico de duplo recproco (Lineweaver-Burk) de absoro de ons:: 1/V posto em grfico em funo de 1/[ I ]. A inclinao KM/Vmax , o intercepto na vertical 1/Vmax, e o intercepto no eixo horizontal 1/KM. Desta forma possvel calcular com facilidade as constantes cinticas (Km, Vmax, etc) que se quer estudar. Para fins prticos, pode-se selecionar cultivares que possuem maior eficincia de absoro de ons, ou seja, menor Km e maior Vmax,. O estudo da cintica de absoro de ons no s importante para a seleo de cultivares mais eficientes na absoro e utilizao de determinados ons, como tambm no metabolismo da planta. Existem programas (software) como o de RUIZ (1985), especficos para se calcular estas constantes cinticas, com extrema facilidade. 50

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5.MOVIMENTO DE MINERAIS NO XILEMA O transporte de gua e de minerais das razes para a parte area ocorre predominantemente nos vasos do xilema. A importncia deste conduto no movimento de gua e minerais j tinha sido enfatizada por HALES em 1969. Ele constatou a continuidade destes vasos nas razes, caules e folhas e foi o primeiro a sugerir uma certa relao entre a transpirao da planta e o movimento ascendente da seiva. Experimentos posteriores usando substncias coloridas ou istopos radioativos confirmam suas idias. 5.1. Evidncias da participao do xilema na ascenso dos minerais a. Experimentos de anelagem O transporte de minerais para a parte inibido pela remoo de pequeno segmento de xilema, mas apenas parcialmente inibido pela remoo do floema. Experimentos de anelagem, isto , remoo da casca e, consequentemente remoo do floema, resultaram em menor teor de cinza e de nitrognio e menor crescimento (CURTIS, 1935), sugerindo para os autores que o floema era o condutor de minerais para a parte area. Mais tarde, entretanto, ficou demonstrado que o efeito da anelagem tinha sido indireto. Na realidade, a anelagem tinha bloqueado a transferncia de fotoassimilados para as razes onde seriam oxidados e transformados de energia necessria para a absoro ativa de minerais. b. Experimentos com radioistopos STOUT & HOAGLAND (1939) foram os primeiros a utilizarem istopos radioativos para verificar a importncia do xilema na ascenso dos minerais. Eles, cuidadosamente, inseriram uma tira de papel impermevel sob a casca da planta separando o floema do xilema e forneceram 42K+ ao sistema radicular, conforme mostrado na Figura 5.0.

23 cm

SA SB

42K+

Figura 5.0 - Diagrama ilustrativo do experimento de STOUT & HOAGLAND.

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UEM - Nutrio Mineral de Plantas Aps 5 horas de exposio o caule foi segmentado e a quantidade de 42K+ determinada na casca e na madeira. Os resultados so mostrados no Quadro 5.0. Quadro 5.0 - Radioatividade de segmentos de casca e de madeira obtidos de plantas expostas ou no a 42K+ Parte do caule Caule - Tratado Floema Xilema 84,0 20,0 0,3 0,3 0,7 0,9 11,6 53,0 Caule - Controle Floema Xilema 42 + K , ppm 58,0 74,0 67,0 113,0 108,0 98,0 112,0 87,0 69,0 122,0 119,0 47,0 64,0 56,0

SB S1 S2 S3 S4 S5 S6 SA

Como se observa, o transporte de 42K+ ocorre predominantemente pelo xilema quando se bloqueia a transferncia lateral deste on em direo ao floema. Na planta intacta, ao contrrio, ocorre intensa transferncia lateral e o 42K+ aparece tambm na floema, via comumente utilizada para promover a circulao deste on. Esta contnua transferncia do xilema para os tecidos adjacentes, medida que a seiva ascende para a parte area pode, tambm, ser inferida a partir dos dados de KLEPPER & KAUFMANN (1966). Eles mediram o potencial osmtico dos exsudatos colhidos do caule e das folhas em diferentes locais da planta e lquidos de gutao. Observou-se que o potencial osmtico decresce medida que a seiva xilemtica colocada em partes mais altas da planta, isto , a concentrao de solutos na seiva decresce medida que ela se desloca para a parte area. O elevado decrscimo no potencial osmtico observado no lquido de gutao comparado ao seu valor no pecolo indica haver intensa utilizao de solutos pelas clulas do limbo foliar. c. Composio da seiva xilemtica A seiva xilemtica coletada por vrios mtodos (exsudao de caules decapitados, lquidos de gutao, etc) apresenta de 0,1 a 0,4% de slidos, dos quais aproximadamente um tero constitudo de materiais inorgnicos e o restante substncias orgnicas tais como: acares, aminocidos, etc.

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UEM - Nutrio Mineral de Plantas Quadro 5.1 Composio mineral da seiva xilemtica e floemtica coletada de Nicotiana glauca1 Floema2 Xilema3 Substncias g / ml Matria seca Sacarose Acares no-redutores Amino compostos Nitrato Potssio Amnia Fsforo Cloreto Enxofre Clcio Magnsio Sdio Ferro Zinco Mangans Cobre1 2

170-1964 155-1684 ausente 10.808,0 ND5 45,3 3.673,0 434,6 486,4 138,9 83,3 104,3 116,3 9,4 15,4 0,9 1,2

1,1-1,24 ND 283,0 9,7 204,3 68,1 63,8 43,3 189,2 33,8 46,2 0,6 1,5 0,2 0,1

HOCKING, 1980. pH no floema: 7,8-8,0 3 pH no xilema: 5,6-5,9 4 -1 mg l 5 No detectado

Como se observa no Quadro 5.1, o xilema apresenta os elementos minerais essenciais, e outros no mencionados, que so absorvidos pelo sistema radicular e transportados para a parte area. O floema, por outro lado, apesar de no ser a rota preferencial de transporte para a parte area, contm quantidade substancialmente elevada da maioria dos elementos minerais resultado de transferncias laterais, conforme j enfatizado. O floema, em funo de permitir fluxos bidirecionais, pode ser utilizado, portanto, para redistribuir os elementos minerais. 5.2. Formas de transporte A maioria dos elementos minerais essenciais transportado no xilema na forma de ons inorgnicos: a) ctions: K+, Ca++, Mg++, Cu++, Zn++ e Mn++ b) nions: Cl- , S04=, H2P04-, H3B03 e Mo04= O nitrognio, porm, pode estar sob diferentes formas dependendo da espcie vegetal, da fonte externa e do metabolismo radicular. As principais formas 53

UEM - Nutrio Mineral de Plantas de nitrognio encontradas na seiva xilemtica de plantas de soja noduladas ou no so mostradas no Quadro 5.2. Quadro 5.2 Principais formas de nitrognio na seiva xilemtica de plantas de soja noduladas e no-noduladas Condies das plantas Noduladas No-noduladas% do N-total

Formas do Nitrognio

UREDIOS cido alantico Alantona Uria AMINOCIDOS Asparagina Glutamina cido asprtico Arginina NITRATO1 2

78 (53)2 (20) (23) 20 (53)3 (17) ( 6) ( 6)

6

36 (74) ( 8) ( 4) ( 2) 58

McCLURE & ISRAEL, 1979. % do N-uredico 3 % do N-aminoactico total

O enxofre, tambm, depende da presena de sistemas de reduo/assimilao nas razes. Pode aparecer na seiva na forma de metionina, cistena, mas quase sempre em baixssimas concentraes. 5.3. Mecanismos da ascenso da seiva xilemtica A. Influncia da transpirao Est relativamente bem estabelecido que os sais minerais, na sua maioria, so arrastados segundo um fluxo em massa juntamente com a gua que se move no xilema em direo s folhas. Acredita-se que o fator mais importante a determinar este fluxo de gua para a parte area, seja a transpirao foliar. A transpirao considerada por alguns autores como um mal necessrio cuja funo principal seria promover a dissipao de calor produzido pelo metabolismo das clulas vegetais. Durante a transpirao desenvolve-se nas folhas um gradiente negativo de presso hidrosttica que se transmite as razes, passando pelo xilema do pecolo, caule e razes. A gua , praticamente, tracionada do solo para a parte area por esta fora em um fluxo xilemtico que pode ser calculado pela frmula de HagenPoiseuille: 54

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r2 J = ( ) P 8onde: J: fluxo do lquido, em cm s-1 r: raio do vaso do xilema, em cm : viscosidade do lquido, em dina s-1 cm-2 P: diferena de presso hidrosttica, em bares cm-2 Considerando que a diferena de presso hidrosttica varia de 0,1 a 0,5 bares m-1 e que o raio mdio dos vasos no xilema de 20 m, o fluxo de lquido poderia variar de 0,05 a 0,25 cm s-1 admitindo-se uma viscosidade da seiva xilemtica de 0,010 dina s-1 cm-2. Estimativas feitas por SLATYER (1967) para o fluxo da seiva xilemtica em plantas transpirando caem dentro desta faixa. Os principais fatores que afetam a transpirao e, portanto, a ascenso da seiva so: a) Idade da planta: As plntulas possuem pequena rea foliar (baixa transpirao), consequentemente a absoro de gua e o transporte de solutos do xilema para a parte area determinado principalmente pela presso radicular. Com o crescimento da planta diminui a importncia da presso radicular e aumenta a da transpirao. b) Hora do dia: 90% da transpirao foliar ocorre via estmatos. Durante o dia, devido a alta transpirao e consequentemente a formao do gradiente de potencial hdrico, h um aumento na absoro e transporte dos elementos minerais mais do que a noite quando h baixa temperatura e alta umidade relativa do ar. c) Concentrao externa de ons: bem conhecido que o aumento na concentrao dos ons no meio externo (meio de nutrio), pode aumentar o efeito da taxa da transpirao na absoro e transporte de elementos minerais. A contribuio depende tambm da isoterma de absoro com o aumento da concentrao externa. d) Tipo do elemento mineral: a absoro segue uma seqncia definida. Varia pouco para o K+, N03- e fosfato mas significativo para o Ca++ e o Na+. Como regra geral, a transpirao aumenta a absoro e transporte de molculas no carregadas em maior proporo do que ons. H intensa relao entre a taxa de transpirao e absoro de certos herbicidas. A absoro e transporte na forma de molcula tem muito maior importncia nos casos do cido brico e silcio.

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UEM - Nutrio Mineral de Plantas B. Influncia da gutao Como estudado anteriormente, h duas bombas trabalhando em srie, no sistema radicular que permitem a ascenso dos elementos minerais para a parte area, que pode ser demonstrado quando a transpirao baixa (principalmente a noite). Este mecanismo importante especialmente em plantas de pequeno porte, mais precisamente para plntulas. C. Influncia das trocas inicas nos vasos do xilema As paredes dos vasos possuem cargas eltricas negativas fixas, as quais, podem se associar vrios ctions e, medida que eles vo sendo transportados longitudinalmente para a parte area podem ocorrer trocas inicas que dependem basicamente da: a) concentrao dos ctions no fluido xilemtico b) afinidade dos ctions pelos stios negativos da parede do xilema. A afinidade cresce com a valncia do ction: Monovalentes < divalentes < trivalentes Os monovalentes ascendem para a parte area normalmente. J os divalentes como os trivalentes sobem atravs de uma srie de trocas inicas. O Fe+++, Cu++ e o Cd++ se associam a aminocidos ou cidos orgnicos passando livres pelos stios de adsoro. O ferro transportado normalmente complexado com citrato. D. Transferncia lateral de ons Os feixes vasculares, floema e xilema esto separados por poucas clulas e, conforme j comentado, ocorre intensa transferncia de minerais entre eles atravs das chamadas CLULAS DE TRANSFERNCIA (Figuras 5.1 e 5.2). So clulas parenquimticas que sofreram um processo de deposio de celulose e outros materiais formando uma projeo em direo ao citoplasma, criando invaginaes ou dobras na membrana plasmtica. Assim, h um aumento na rea superficial da membrana plasmtica. As organelas, especialmente as mitocndrias e retculo endoplasmtico, nunca ficam muito distanciados da membrana plasmtica. Os principais tipos conforme a ilustrao acima so: a) Clulas de transferncia do xilema podem ser encontradas nas razes envolvidas na secreo dos ons para os vasos do xilema ou nas folhas envolvidas na absoro ativa dos minerais descarregados no xilema. b) Clulas de transferncia tipo A estas clulas apresentam invaginaes tanto do lado do xilema como do floema, parecem adaptadas a promover a transferncia lateral entre estes condutos. 56

UEM - Nutrio Mineral de Plantas c) Clulas de transferncia do tipo B estas clulas apresentam invaginaes apenas no lado do floema e parecem estar ligados ao descarregamento de substratos ou fotoassimilados destes vasos.

FIGURA 5.1 - Diagrama dos tipos de Clulas de Transferncia. A transferncia de minerais do xilema para o floema (Figura 5.2) de fundamental importncia, uma vez que o transporte no xilema direcional, principalmente para os stios de maior transpirao, que nem sempre so aqueles de maior demanda nutricional. Isto verdadeiro especialmente para o clcio uma vez que este elemento possui baixa mobilidade na planta.

Figura 5.2 Transporte a longa distncia no xilema (X) e no floema (F) em um caule com uma folha conectada e transferncia do xilema para o floema mediada por clulas de transferncia. 57

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6.DESCARREGAMENTO DO XILEMA NAS FOLHAS Quando a seiva alcana os terminais dos vasos e traquedeos xilemticos nas minsculas nervuras foliares, a gua e sais minerais so descarregados no apoplasto e da podem se mover atravs da parede celular e espaos intercelulares para stios de absoro ou podem ser redistribudos