Freeways in the plant: transporters for N, P and S and their

regulation21Funções dos Nutrientes no

Metabolismo Vegetal - Enfoque para Cultura de Tecidos

Prof. Dr. José Lavres Junior

CEN 0001 Cultura de Tecidos Vegetais

30 de agosto de 2013

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

CONTEXTUALIZAÇÃOCONTEXTUALIZAÇÃO

CEN 0001 - Cultura de Tecidos Vegetais

Os elementos minerais

Cap. 2 (Malavolta, 2006). Cap. 3 (Epstein & Bloom, 2005).

Cap. 1 (Marschner, 2012)

Literatura sugerida:

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.

1. Introdução

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)

1860: C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe

"Classical list of essential elements during the remainder of nineteenth century."

1860: C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe

MnMn, Maze (1914), McHargue (1920)BB, Warington (1923)ZnZn, Sommer e Lipman (1926)CuCu, Lipman e McKinney (1931)MoMo, Arnon e Stout (1939)ClCl, Broyer et al. (1954) – toamte, Johnson et al. (1957) demais spp.NiNi, Dixon et al. (1975); Eskew et al. (1983); Shimada e Ando (1980).

1957 – Na Na regereracao do fosfoenolpiruvato Cregereracao do fosfoenolpiruvato C44 e CAM e CAM.

SeSe – 1964, 1961 – CoCo1999 e 2005 – Si (quase essencialquase essencial, Epstein, 1999; Epstein e Bloom, 2005). Arroz com sintomas de def. de Si

Outros elementos: aparentemente não essencial; não comprovada a essencialidade.

COMPOSIÇÃO MÉDIA DE ELEMENTOS NA PLANTAElemento Vegetal

(média) Peso

atômico No relativo átomos – em relação ao Ni

g kg-1 (MS) O 450 16 30.000.000 C 450 12 40.000.000 H 60 1 60.000.000 N 25 14 1.000.000 K 20 39 250.000 Ca 5 40 125.000 Mg 2 24 80.000 P 2 31 60.000 S 1 32 30.000 Si 1 28 30.000 mg kg-1 (MS) Cl 100 36 3.000 Fe 100 56 2.000 B 20 11 2.000 Mn 50 55 1.000 Na 10 23 400 Zn 20 65 300 Cu 6 64 100 Co 0,2 60 2 Mo 0,1 96 1 Ni 0,2 59 1

COMPOSIÇÃO MÉDIA DOS ELEMENTOS NA PLANTA

Epstein & Bloom (2005)

2. Critérios de essencialidade (Stout e Arnon, 1939)

Daniel I. Arnon

November 14, 1910 —

December 20, 1994

Photograph by Reinhard Bachofen, University of California at Berkeley, Summer 1988

P.R. Stout

Os elementos:

1. ESSENCIAIS

2. ÚTEIS: Co, Se, Si e Na

3. TÓXICOS (“O que faz o veneno é a dose” Paracelcius): Al, As, Ba, Cd,Pb, V...

• 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.

Critérios de Essencialidade (Stout & Arnon, 1939)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 Grupo Prostético

M Ativador

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

Figura – esquema ilustrativo da enzima urease e reação de catálise (hidrólise) da ureia em NH4+.

“Nickel trafficking and urease active site synthesis”

Figura – esquema ilustrativo da proteína cálcio-calmudolina

Ca

Ca

Ca

Ca

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.

Critérios de Essencialidade (Stout & Arnon, 1939)Critérios de Essencialidade (Stout & Arnon, 1939)

2. CRITÉRIOS INDIRETOS

a) a carência de (M) impede que a planta complete o

ciclo;

b) o elemento tem função específica, sintomas

característicos, e não pode ser substituído por nenhum

outro;

c) o elemento deve estar implicado diretamente.

Demonstração da essencialidade pelo critério indiretoDemonstração da essencialidade pelo critério indireto

1º PASSO

a) Sua carência impede que a planta complete o seu

ciclo.

Demonstração da essencialidade pelo critério indiretoDemonstração da essencialidade pelo critério indireto

1º PASSO

a) 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 indiretoDemonstração da essencialidade pelo critério indireto

1º PASSO

Demonstração da essencialidade pelo critério indiretoDemonstração da essencialidade pelo critério indireto

2º PASSO

a) O elemento tem função específica.

Sintomas característicos; só o elemento pode corrigi-lo.

b) Se na falta do elemento ((MM)) e, na presença de outros ((XX)) que

apresentam características químicas muito próximas a planta

também morre. Isto significa que ele ((MM)) não pode ser

substituído.

Demonstração da essencialidade pelo critério indiretoDemonstração da essencialidade pelo critério indireto

2º PASSO

Demonstração da essencialidade pelo critério indiretoDemonstração da essencialidade pelo critério indireto

3º PASSO

a) 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 indiretoDemonstração da essencialidade pelo critério indireto

3º PASSO

Concentração dos elementos no tecido vegetal

C, H, O, N, P, K, Ca, Mg e S

B, Cl, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni e Zn

Macronutrientes (g kg-1)

1,0 a 50 g kg-1

Micronutrientes (mg kg-1)

0,1 a 1000 mg kg-1

3. Funções dos 3. Funções dos

nutrientes no nutrientes no

metabolismo vegetalmetabolismo vegetal

Nitrogênio: Nitrogênio: componente de aminoácidos, proteínas, ácidos nucléicos, enzimas,

coenzimas, membranas celulares, pigmentos.

Fósforo: Fósforo: componente de ácidos nucléicos, membranas celulares, coenzimas e

está envolvido na transferência de energia nas células, ATP.

Potássio: Potássio: ativador enzimático, balanço iônico celular, turgidez celular,

distribuição de carboidratos na planta.

Cálcio: Cálcio: constituinte de parede celular e lamela média, estabilização das

membranas celulares; ativador enzimático, mensageiro secundário.

3. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES NO METABOLISMO

Magnésio: Magnésio: componente da molécula de clorofila, co-fator em inúmeros

sistemas enzimáticos.

Enxofre: Enxofre: componente de aminoácidos e todas as proteínas.

Boro: Boro: envolvido no transporte de carboidratos e componente de parede celular

(liga-se polissacarídeos pécticos da parede celular).

Cloro: Cloro: exigido para as reações de fotossíntese – fotólise da água e evolução de

O2 –

reação de Hill .

Cobre: Cobre: componente de várias enzimas – SOD; plastocianina.

3. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES NO METABOLISMO3. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES NO METABOLISMO

Ferro: Ferro: componente de citocromos e proteínas envolvidas na fotossíntese

(ferredoxina); fixação biológica do N2 e respiração.

Manganês: Manganês: ativador enzimático; é exigido para a fotólise da água e evolução de

O2 (fotossistema II) – reação de Hill.

Molibdênio: Molibdênio: componente de enzimas envolvidas na fixação biológica do N2 e

redução do NO3-.

Níquel: Níquel: componente da enzima urease – CO(NH2)2 → NH3 e CO2.

Zinco: Zinco: ativador enzimático – anidrase carbônica, SOD.

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 (HPO4

2-; H2PO4-);

Enxofre (SO42-); Boro (H3BO3

-); Molibdênio (MoO42-); Cloro (Cl-).

3. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES NO METABOLISMO

Efeito do pH na disponibilidade dos nutrientes para os vegetais

Malavolta (1979)

• 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?

• 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.

Relação N-NH4+ : N-NO3

- na solução

• Excesso de NH4+ na solução pode causar efeito fitotóxico.

Necessidade de conhecer a exigência em N e a melhor relação

NH4+ : NO3

-

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

3. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES NO METABOLISMO

KIM et al. J. Plant Nutr 2002; 497 - 508

Relação N-NO3- : N-NH4

+ na rizosfera

3. FUNÇÕES DOS NUTRIENTES NO METABOLISMO

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)

Aranda-Peres et al. (2009)

↑s concentrações de N, Fe e Cl no tecido.

↓s concentrações de Mg e Cu no tecido.

0

1

2

3

4

5

112112112112112112112112112

210210210210210210210210210

336336336336336336336336336416416416416416416

181818

363636

545454

181818

363636

545454

181818

363636

545454

363636363636

Mas

sa d

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ia f

resc

a (g

)Y = 3,262 + 0,013N - 0,116Mg - 0,00004N2 + 0,0001NMg + 0,001Mg2 (R2 = 0,35*)

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

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.

Consideração final:

“Não somos nós que tem tudo a

esperar do futuro; mas o futuro

que tem tudo a esperar de nós.”

Tobias Barreto de Menezes