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

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

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

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.

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.

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)

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

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, 1961 – 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.

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

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

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...

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.

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

Estrutural Figura – esquema ilustrativo das proteínas hemoglobina e clorofila

Grupo Prostético Figura – esquema ilustrativo da enzima redutase do nitrato

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

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

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.

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

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.

Demonstração da essencialidade pelo critério indireto 1º PASSO

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.

Demonstração da essencialidade pelo critério indireto 2º PASSO

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.

Demonstração da essencialidade pelo critério indireto 3º PASSO

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

3. Funções dos nutrientes no metabolismo vegetal

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.

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.

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.

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-).

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

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?

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-

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; 497 - 508

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; 497 - 508

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).

4. COMPOSIÇÕES DAS SOLUÇÕES NUTRITIVAS – CULTURA DE TECIDOS

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

4. COMPOSIÇÕES DAS SOLUÇÕES NUTRITIVAS – CULTURA DE TECIDOS

Aranda-Peres et al. (2009)

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

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)

Niedz & Evens(2007)

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.

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

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.

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