21 Freeways in the plant: transporters for N, P and S and their regulation CEN 0001 Cultura de Tecidos Vegetais Funções dos Nutrientes no Metabolismo Vegetal.

Apresentação em tema: "21 Freeways in the plant: transporters for N, P and S and their regulation CEN 0001 Cultura de Tecidos Vegetais Funções dos Nutrientes no Metabolismo Vegetal."— Transcrição da apresentação:

1 21 Freeways in the plant: transporters for N, P and S and their regulation CEN 0001 Cultura de Tecidos Vegetais Funções dos Nutrientes no Metabolismo Vegetal - Enfoque para Cultura de Tecidos Prof. Dr. José Lavres Junior 30 de agosto de 2013

2 CEN 0001 - Cultura de Tecidos Vegetais
CONTEXTUALIZAÇÃO 1. Introdução – Critérios de Essencialidade 2. Funções dos Nutrientes no Metabolismo 3. Composições das soluções nutritivas – cultura de tecidos 4. Necessidades de pesquisas – exigências nutricionais, balanço de nutrientes

3 Literatura sugerida: Os elementos minerais
Cap. 2 (Malavolta, 2006). Cap. 3 (Epstein & Bloom, 2005). Cap. 1 (Marschner, 2012)

4 1. Introdução Quais são os elementos necessários a vida da planta?
A análise das plantas não responde a essa pergunta. Aristoteles “as plantas não têm alma para pensar “. D.I. Arnon (entre 1952 e 1953) postulou: todos os elementos essenciais (necessários) estão presentes na planta, mas nem todos os elementos encontrados na planta são essenciais.

5 Lei do Mínimo – Sprengel & Liebig
Justus von Liebig, geralmente creditado como o "pai da indústria de fertilizantes", formulou a lei do mínimo: “se um nutriente vegetal está ausente [em baixa disponibilidade] ou deficiente, o crescimento da planta será limitado, mesmo que os outros elementos estejam presentes em abundância. 1803 – 1873.

6 Lei de Liebig do mínimo, muitas vezes chamado simplesmente de Lei de Liebig ou a lei do mínimo, é um princípio que desenvolvido em ciências agrícolas por Carl Sprengel (1828) e mais tarde popularizada por Justus von Liebig. Afirma-se que o crescimento não é controlado pela quantidade total de recursos disponíveis, mas pelo recurso mais escasso (fator limitante). Fonte: A. Finck (1969)

7 "Classical list of essential elements during
the remainder of nineteenth century." 1860: C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe

8 1860: C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe Mn, Maze (1914), McHargue (1920)
B, Warington (1923) Zn, Sommer e Lipman (1926) Cu, Lipman e McKinney (1931) Mo, Arnon e Stout (1939) Cl, Broyer et al. (1954) – toamte, Johnson et al. (1957) demais spp. Ni, Dixon et al. (1975); Eskew et al. (1983); Shimada e Ando (1980). 1957 – Na regereracao do fosfoenolpiruvato C4 e CAM. Se – 1964, – Co 1999 e 2005 – Si (quase essencial, Epstein, 1999; Epstein e Bloom, 2005). Arroz com sintomas de def. de Si Até por volta do final do século 19 eram conhecidos os seguintes elementos necessários ao desenvolvimento dos vegetais: C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe. Outros nutrientes foram acrescidos a esta lista inicial. O Ni foi o último elemento a ser considerado essencial. Algumas plantas halófitas, plantas nativas em solos salinos, crescem melhor e para as plantas com vias C4 e CAM de fixação de carbono, a presença do Na é essencial para a regeneração do fosfoenolpiruvato, o substrato da primeira carboxilação nessas vias, em Atriplex Vesicaria. O Se geralmente é tóxico às plantas, mas algumas plantas (Astragalus spp) toleram altas concentrações em seus tecidos. O Co, que é componente da cobalamina, é essencial aos simbiontes que fixam N, mas não é essencial aos vegetais. O Si é encontrado em todos os vegetais em concentrações variáveis. Epstein (1999) discutiu a designação de elemento “quase-essencial” para o Si, porque algumas plantas (arroz), quando cultivadas em meio em que o Si não está presente, apresenta sintomas característicos de deficiência. Outros elementos: aparentemente não essencial; não comprovada a essencialidade.

9 COMPOSIÇÃO MÉDIA DOS ELEMENTOS NA PLANTA
COMPOSIÇÃO MÉDIA DE ELEMENTOS NA PLANTA Epstein & Bloom (2005)

10 2. Critérios de essencialidade (Stout e Arnon, 1939)
P.R. Stout Daniel I. Arnon November 14, 1910 — December 20, 1994 Photograph by Reinhard Bachofen, University of California at Berkeley, Summer 1988

11 Os elementos: ESSENCIAIS Essenciais são os elementos minerais da planta, sem os quais ela não vive. C, H e O são considerados como nutrientes orgânicos. N, P, K, Ca, Mg, S, B, Cl, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni e Zn. 2. ÚTEIS: Co, Se, Si e Na 3. TÓXICOS (“O que faz o veneno é a dose” Paracelcius): Al, As, Ba, Cd,Pb, V...

12 Critérios de Essencialidade (Stout & Arnon, 1939)
1. CRITÉRIO DIRETO Um elemento (M) é essencial quando faz parte de um composto, ou quando participa de uma reação sem a qual a vida da planta é impossível.

13 Funções dos nutrientes:
M Estrutural M Ativador M Grupo Prostético Figura – As três funções que o elemento pode desempenhar (Malavolta et al., 1997)

14 Estrutural Figura – esquema ilustrativo das proteínas hemoglobina e clorofila

15 Grupo Prostético Figura – esquema ilustrativo da enzima redutase do nitrato

16 Grupo Prostético “Nickel trafficking and urease active site synthesis”
Figura – esquema ilustrativo da enzima urease e reação de catálise (hidrólise) da ureia em NH4+.

17 ATIVADOR - A PROTEÍNA DAS “QUATRO ESTAÇÕES” – MENSAGEIRO SECUNDÁRIO
O cálcio liga-se a calmodulina, uma pequena proteína importante na sinalização e regulação das atividades de muitas enzimas. Ca Figura – esquema ilustrativo da proteína cálcio-calmudolina

18 Critérios de Essencialidade (Stout & Arnon, 1939)
2. CRITÉRIOS INDIRETOS a carência de (M) impede que a planta complete o ciclo; o elemento tem função específica, sintomas característicos, e não pode ser substituído por nenhum outro; o elemento deve estar implicado diretamente.

19 Demonstração da essencialidade pelo critério indireto
1º PASSO Sua carência impede que a planta complete o seu ciclo.

20 Demonstração da essencialidade pelo critério indireto
1º PASSO Sua carência impede que a planta complete o seu ciclo. b) A planta é cultivada em solução nutritiva na presença e na ausência do elemento cuja essencialidade se procura demonstrar; e se ela mostrar anormalidades visíveis e depois morrer, o primeiro passo foi dado.

21 Demonstração da essencialidade pelo critério indireto
1º PASSO

22 Demonstração da essencialidade pelo critério indireto
2º PASSO O elemento tem função específica. Sintomas característicos; só o elemento pode corrigi-lo. b) Se na falta do elemento (M) e, na presença de outros (X) que apresentam características químicas muito próximas a planta também morre. Isto significa que ele (M) não pode ser substituído.

23 Demonstração da essencialidade pelo critério indireto
2º PASSO

24 Demonstração da essencialidade pelo critério indireto
3º PASSO O elemento deve estar implicado diretamente. b) Se o elemento em outro estudo for fornecido às folhas e estiver ausente da solução nutritiva, e com isso garantir o crescimento normal do vegetal, fica evidente que participa diretamente da vida da planta, não estando com a sua presença anulando condições desfavoráveis presentes nas raízes.

25 Demonstração da essencialidade pelo critério indireto
3º PASSO

26 Concentração dos elementos no tecido vegetal
Macronutrientes (g kg-1) 1,0 a 50 g kg-1 C, H, O, N, P, K, Ca, Mg e S Micronutrientes (mg kg-1) 0,1 a 1000 mg kg-1 B, Cl, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni e Zn

27 3. Funções dos nutrientes no metabolismo vegetal

28 3. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES NO METABOLISMO
Nitrogênio: componente de aminoácidos, proteínas, ácidos nucléicos, enzimas, coenzimas, membranas celulares, pigmentos. Fósforo: componente de ácidos nucléicos, membranas celulares, coenzimas e está envolvido na transferência de energia nas células, ATP. Potássio: ativador enzimático, balanço iônico celular, turgidez celular, distribuição de carboidratos na planta. Cálcio: constituinte de parede celular e lamela média, estabilização das membranas celulares; ativador enzimático, mensageiro secundário.

29 3. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES NO METABOLISMO
Magnésio: componente da molécula de clorofila, co-fator em inúmeros sistemas enzimáticos. Enxofre: componente de aminoácidos e todas as proteínas. Boro: envolvido no transporte de carboidratos e componente de parede celular (liga-se polissacarídeos pécticos da parede celular). Cloro: exigido para as reações de fotossíntese – fotólise da água e evolução de O2 – reação de Hill . Cobre: componente de várias enzimas – SOD; plastocianina.

30 3. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES NO METABOLISMO
Ferro: componente de citocromos e proteínas envolvidas na fotossíntese (ferredoxina); fixação biológica do N2 e respiração. Manganês: ativador enzimático; é exigido para a fotólise da água e evolução de O2 (fotossistema II) – reação de Hill. Molibdênio: componente de enzimas envolvidas na fixação biológica do N2 e redução do NO3-. Níquel: componente da enzima urease – CO(NH2)2 → NH3 e CO2. Zinco: ativador enzimático – anidrase carbônica, SOD.

31 Formas (espécies) químicas na solução absorvidas pelas plantas
3. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES NO METABOLISMO Formas (espécies) químicas na solução absorvidas pelas plantas Cátions (íons com cargas positivas): amônio (NH4+); Potássio (K+); Cálcio (Ca2+); Magnésio (Mg2+); Ferro (Fe2+); Manganês (Mn2+); Cobre (Cu2+), Níquel (Ni2+) e Zinco (Zn2+). Ânions (íons com cargas negativas): nitrato (NO3-); Fósforo (HPO42-; H2PO4-); Enxofre (SO42-); Boro (H3BO3-); Molibdênio (MoO42-); Cloro (Cl-).

32 Efeito do pH na disponibilidade dos nutrientes para os vegetais
Malavolta (1979)

33 Relação N-NH4+ : N-NO3- na solução
Em cultivos em condições de campo, a relação NO3- : NH4+ não exerce efeito no desenvolvimento das plantas, devido aos contínuos processos de nitrificação que ocorrem nos solos. [?] Porém, em condições hidropônicas ou soluções nutritivas (sem uso do solo) a relação N-NO3- : N-NH4+ influencia significantemente o desenvolvimento vegetal. Qual a melhor relação para cada espécie vegetal ou genótipo? Há relação N : S ideal?

34 Relação N-NH4+ : N-NO3- na solução
Os vegetais geralmente podem crescer somente com o suprimento de NO3-, porém vários cuidados devem ser tomados quando é fonte exclusiva de N. Tendência de aumentar o pH. Excesso de NH4+ na solução pode causar efeito fitotóxico. Necessidade de conhecer a exigência em N e a melhor relação NH4+ : NO3-

35 Relação N-NH4+ : N-NO3- na solução
3. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES NO METABOLISMO Relação N-NH4+ : N-NO3- na solução KIM et al. J. Plant Nutr 2002;

36 Relação N-NH4+ : N-NO3- na solução
3. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES NO METABOLISMO Relação N-NH4+ : N-NO3- na solução KIM et al. J. Plant Nutr 2002;

37 Relação N-NO3- : N-NH4+ na rizosfera
3. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES NO METABOLISMO Relação N-NO3- : N-NH4+ na rizosfera Fig. Efeitos de formas de nitrogênio (NO3- ou NH4+) nos valores de pH da rizosfera de plantas de trigo com duas semanas de idade. A = escala de cores para pH B = 66 mg N-NO3-/kg de solo (±200 kg N/ha) e C = 66 mg N-NH4+/kg de solo (± 200 kg N/ha).

38 4. COMPOSIÇÕES DAS SOLUÇÕES NUTRITIVAS – CULTURA DE TECIDOS

39 Ramage & Williams (2002): Mineral Nutrition and Plant Morphogenesis

40 4. COMPOSIÇÕES DAS SOLUÇÕES NUTRITIVAS – CULTURA DE TECIDOS

41

42 Aranda-Peres et al. (2009)

43 ↑s concentrações de N, Fe e Cl no tecido.
↓s concentrações de Mg e Cu no tecido. Aranda-Peres et al. (2009)

44 Produção de massa de matéria fresca de V
Produção de massa de matéria fresca de V. friburgensis em função das combinações de doses de N e de Mg no meio de cultura Kievitsbosh (2011)

45

46 Niedz & Evens(2007)

47 4. NECESSIDADES DE PESQUISAS – EXIGÊNCIAS NUTRICIONAIS, BALANÇO DE NUTRIENTES
FATORES A SEREM CONSIDERADOS: Espécie Vegetal e Genótipos/Cultivares Condições Ambientais – temperatura, luminosidade, concentração de CO2. Meio de Crescimento – composição química em diferentes fases de desenvolvimento das plantas e interação com compostos orgânicos (vitaminas e hormônios). Composição do Substrato – pH (concentração de H+); concentração total de sais (CE ou potencial osmótico); concentrações individuais dos íons; as proporções relativas das concentrações iônicas, principalmente para os MICROS. Absorção de cátions em excesso = redução do pH Absorção de ânions em excesso = elevação do pH.

48 4. NECESSIDADES DE PESQUISAS – EXIGÊNCIAS NUTRICIONAIS, BALANÇO DE NUTRIENTES
FATORES A SEREM CONSIDERADOS: MONITORAMENTO DO ESTADO NUTRICIONAL: Avaliação da diagnose visual Monitoramento e análises periódicas da soluções? Análise de tecido – diagnose foliar Testes Bioquímicos

49 Consideração final: Os nutrientes minerais formam um significativo componente dos meios de cultura, mas muitas vezes são negligenciados como possíveis indutores morfogênicos. A combinação de nutrientes para certas espécies de plantas é normalmente determinada por meio da manipulação empírica de formulações publicadas. Muitas vezes, apenas um tipo de meio é utilizado durante o período de cultura, embora esta formulação pode não ser ideal para as diferentes fases de crescimento e de desenvolvimento do explante. Além disso, os estudos nutricionais têm focado muitas vezes no crescimento em vez da morfogénese, com pequeno conhecimento sobre as relações entre os nutrientes e o papel destes na morfogênese.

50 Tobias Barreto de Menezes
“Não somos nós que tem tudo a esperar do futuro; mas o futuro que tem tudo a esperar de nós.” Tobias Barreto de Menezes