Nutrição Mineral

NUTRIÇÃO MINERAL DE PLANTAS

2+ Ca Ca2+

Mg2+2+ Mg

N0-3N0 3 + NH 4 + NH 4

+ + KK

2P0-4 HH P0 2 4

N0 3 N0 3

S02-42S0 4

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

UEM - Universidade Estadual de Maringá

Maringá (PR), 1998

UEM - Nutrição Mineral de Plantas

- PREFÁCIO

A nutrição mineral é essencial para o crescimento e o desenvolvimento das plantas, tendo importância capital, tanto na ciência básica como na ciência aplicada. Impressionantes progressos tem sido feitos nesta última década, no entendimento dos mecanismos de absorção dos nutrientes e suas funções no metabolismo das plantas. Paralelamente, houveram grandes progressos no aumento da produção das culturas pelo suprimento mais racional dos nutrientes minerais às plantas. O objetivo alvo desta apostila é fornecer aos alunos de graduação em agronomia e biologia os princípios básicos de nutrição mineral de plantas, com base no conhecimento atual. Na parte inicial, procurou-se dar enfoque de como os elementos minerais podem estar presentes na solução 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 visão de como o sistema radicular influencia na rizosfera também foi enfatizada. Uma vez que os íons para chegarem até os vasos do xilema precisam obrigatoriamente passar pela parede celular e membrana plasmática, teve-se a preocupação de estudá-las resumidamente, suas propriedades, funções, constituição e os principais sistemas de transportes ligados as membranas biológicas. Em seguida, estudou-se o movimento dos íons desde a região de absorção até o xilema, denominado movimento radial. Os aspectos do transporte dos elementos minerais nos vasos do xilema (transporte a longa distância) até atingir a parte aérea, e sua redistribuição pelo floema (transporte a curta distância), segundo sua mobilidade também foram abordados. Seqüencialmente descreveu-se sobre a absorção, transporte, redistribuição e funções dos macro- e micronutrientes. Devido a grande importância e da resposta na produtividade das plantas a aplicação de N, descreveu-se sucintamente sobre a absorção, assimilação, redução e fixação biológica do N. Finalizando discorreu-se sobre alguns aspectos da adubação foliar, diagnose de deficiência e toxicidade dos elementos minerais nas plantas superiores. A nutrição mineral de plantas cobre um campo muito vasto, portanto, é praticamente impossível tratar todos os aspectos com detalhes e profundidade. O intento desta apostila e dar uma visão atualizada dos princípios básicos da nutrição mineral, auxiliando assim a aprendizagem dos alunos de graduação.

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1. INTRODUÇÃO O crescimento e o desenvolvimento das plantas depende, além de outros fatores como luz água e gás carbônico, de um fluxo contínuo de sais minerais. Os minerais embora requeridos em pequenas quantidades são de fundamental importância para o desempenho das principais funções metabólicas da célula. O efeito benéfico da adição de elementos minerais no crescimento das plantas foi reconhecido há mais de 2000 mil anos. Contudo, JUST von LIEBIG (1803-1873) foi o principal cientista de seu tempo a lançar as bases da disciplina de Nutrição Mineral. Sua conclusão de que N, S, P, K, Ca, Mg, Si, Na e Fe eram elementos essenciais, embora baseada apenas em observação e especulação sem precisa experimentação, provou ser bastante correta. Apenas o Si e o Na não são considerados essenciais, embora o possam ser para algumas espécies. De qualquer modo, houve um despertar nas pesquisas nesta área no século XIX. Elas mostraram que as plantas tinham capacidade limitada de distinguir e, ou selecionar dentre os minerais disponíveis na solução do solo aqueles que pouco representavam para o seu metabolismo ou que eram até menos tóxicas a elas. Assim, a composição mineral das plantas não podia ser usada na definição da essencialidade de um elemento mineral. O progresso na química analítica, especialmente o desenvolvimento de técnicas de purificação de sais e determinação de elementos minerais em quantidades traços, associado ao desenvolvimento de técnicas de cultivo de planta em solução nutritiva, permitiram a ARNON & STOUT (1939) o estabelecimento dos critérios de essencialidade. Estes autores concluíram que, para um elemento ser considerado essencial deveria satisfazer a três critérios básicos: a) A planta não pode ser capaz de completar seu ciclo “vital” na ausência do elemento mineral. b) A função de certo elemento mineral não pode ser substituído por outro elemento mineral. c) O elemento tem que estar diretamente envolvido com o metabolismo da planta ou ser requerido numa determinada etapa metabólica. As plantas superiores requerem, além do C, H e O, treze elementos que elas absorvem na forma de íons da solução do solo. Seis destes, requeridos em maiores quantidades, são chamados MACRONUTRIENTES: N, P, K, Ca, S e Mg. Os sete outros, requeridos em baixas concentrações, são chamados MICRONUTRIENTES: Fe, Mn, Cu, Zn, B, Mo e Cl (Quadro 1).

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Quadro 1 - Elementos minerais essenciais e benéficos para plantas superiores e inferiores.

Classificação

Elementos

Plantas superiores

Plantas Inferiores

Macronutrientes

N,P,K,Ca,S, Mg

+

+1

Micronutrientes

Fe,Mn,Zn,Cu,B,Mo, Cl3 ,Ni

+

+2

Na,Si,Co, I,V

+-

+-

Benéficos 1

Exceto Ca para fungos Exceto B para fungos 3 Há dúvida para algumas espécies 2

Os denominados elementos “benéficos” são aqueles minerais que: 1. Compensam ou eliminam os efeitos tóxicos de outros. Ex. O Al em concentração abaixo de 0,2 ppm pode reduzir ou eliminar efeitos tóxicos de Cu, Mn e P. 2. Substituem um elemento essencial em alguma de suas funções menos específicas. Ex. O Na pode satisfazer parte da função osmótica do K. 3. São essenciais apenas para algumas espécies. Ex. O Na é essencial para a halófita Atriplex vesicaria. Os elementos minerais, macro e micronutrientes, ao lado de fatores tais como luz, água e gás carbônico constituem a matéria prima que a maquinaria biossintética da célula utiliza para crescer e se desenvolver. Embora constituem apenas de 4 a 6% da matéria seca total, os elementos minerais além de serem componentes das moléculas essenciais, constituem estruturas como membranas e estão envolvidos com a ativação enzimática, controle osmótico, transporte de elétrons, sistema tampão do protoplasma e controle de permeabilidade, etc.

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2. SISTEMA SOLO-PLANTA 2.1 - Características primárias do solo O solo é um sistema complexo constituído de 3 fases: matriz do solo, solução do solo e a fase gasosa. - Matriz do Solo A fase sólida do solo (matriz) é constituída pelas frações mineral e orgânica. A fração mineral resulta da ação da intemperização (física, química e biológica) sobre as rochas e é constituída de partículas de diferentes tamanhos: Areia grossa Areia fina Silte Argila

2,0 - 0,20 mm de diâmetro 0,2 - 0,05 mm de diâmetro 0,05 - 0,002 mm de diâmetro < 0,002 mm de diâmetro

(Fracionamento proposto pela Comissão Permanente de Métodos de Campo da S.B.C.S) As 3 principais frações formam o esqueleto do solo mas não exercem nenhuma, ou pequena influência no comportamento físico ou físico-químico do solo. A fração argila, por outro lado, além de influenciar várias propriedades físicas e físico-químicas do solo, determina a capacidade de troca iônica do solo. O Quadro 2.0 apresenta as características e composição química de alguns tipos de argila. A capacidade de trocar cátions das partículas de argila resulta basicamente de: a) Quebra de ligações próximas à margem da unidade estrutural

(-)

H+, Na+, K+

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas Quadro 2.0 - Características e composição química de alguns tipos de argila Argila

Tipo

Comp. Química

Caolinita

1:1

45-48% Si02 38-40% Al203

Montmorilonita

2:1

CTI(meq/100 g) 3-15%

42-55% Si02 0-28% Al203

80-150

0-30% Fe203 Ilita

2:1

50-56% Si02 18-31% Al203

10-40

2-5% Fe203 4-7% K20

b) Substituições isomórficas na estrutura cristalina = Al-0-

Si-022-

c) Ionização de grupos hidroxílicos expostos -0H ! -0- + H+ Já, a capacidade de trocar ânions resulta de: a) Substituições de grupos hidroxílicos na superfície dos minerais:

OH

Cl + OH -

b) Desbalanço de cargas dentro da estrutura cristalina. Ânions como NO3-, SO42-, Cl-, prendem-se fracamente à micela de argila, enquanto H2PO4- e outros são fortemente atraídos e retidos. Por esta razão, os primeiros permanecem na solução do solo e alcançam concentrações relativamente altas, enquanto o fosfato é fortemente retido. A matéria orgânica do solo resulta da decomposição biológica de microorganismos, animais e, principalmente, vegetais. Fornece mais de 95% do nitrogênio total, 5 a 60% do fósforo e 10 a 20% do enxofre total do solo. B - Solução do Solo 8

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A solução do solo é o compartimento de onde a raiz retira ou absorve os elementos essenciais. É constituída de uma solução de eletrólitos em equilíbrio com a fase sólida como mostrado abaixo:

Fase sólida ↔ Solução do solo ↔

↔ Parte aérea ↑ Adubação e Calagem

A fase sólida do solo é o reservatório ( M.0. + fração mineral) do solo. A remoção de íons da fase líquida pelas plantas que resulta em novas dissoluções da fase sólida até o restabelecimento do solo, é bastante variável, como pode ser observado no Quadro 2.1. Quadro 2.1 - Composição da solução do solo em vários tipos de solo Tipo de solo

pH

Ácido Arg.-aren. Com cultivo Sem cultivo Salino

4.2 7.2 7.3 7.0 8.3

+2

Ca 1.0 21.0 10.1 27.9 43.5

Mg

+2

K

+

Na

+

1.4 1.2 7.1 10.9 48.0

0.4 0.7 1.8 21.6 9.6

0.4 1.8 0.7 2.8 21.7

∑C+ 3.2 25.1 1.8 43.2 114.8

NO3 3.8 15.6 3.7 29.6 31.2

Cl

-

0.2 2.2 1.4 20.1

-

HCO3 1.1 1.1 1.0 7.2

S04

∑A-

0.8 7.0 12.5 9.7 56.3

4.8 25.9 18.0 41.7 114.8

-2

Observa-se que: a. O Ca e o Mg são, de modo geral, os cátions predominantes na solução do solo. b. A força iônica da solução do solo depende da concentração de ânions não adsorvidos pela superfície negativa dos colóides do solo ( a menos que contenham sítios positivos associados com óxidos de alumínio e ferro, em pH abaixo de 6). Os sulfatos, também, não são fortemente adsorvidos. Estes íons controlam a força iônica global da solução do solo. c. A proporção dos diferentes cátions na solução do solo que fazem o balanço daqueles ânions é determinada por várias fatores tais como: carga dos cátions adsorvidos, sua proporção no complexo de troca iônica e as propriedades a dos íons trocados.

C) Fase Gasosa 9

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O ar do solo tem, geralmente, os mesmos componentes do ar atmosférico. A respiração das raízes e dos microrganismos, a decomposição da matéria orgânica e outras reações, porém, modificam sua composição.

Solo (15 cm) Atmosfera

N2

O2

CO2

79,2 79,0

20,6 20,1

0,25 0,03

No exemplo acima, verifica-se que a composição do ar do solo é bastante similar ao ar da atmosfera exceto quanto ao teor de CO2. Contudo, como a composição da fase gasosa dos solos depende de muitos fatores, generalizações são perigosas. 2.2 - Movimento dos Íons do solo para as raízes Os íons que estão na solução do solo, para serem absorvidos, devem estabelecer obrigatoriamente contato com o sistema radicular. Este contato pode ser estabelecido por três processos, são eles: a. Interceptação Radicular b. Fluxo em Massa c. Difusão A contribuição relativa de cada um destes processos no fornecimento de íons para plantas de milho, num solo fértil tipo barro limoso pode ser observada no Quadro 2.2. Quadro 2.2 - Contribuição relativa de diferentes mecanismos ao fornecimento de certos elementos minerais a plantas de milho.

Elemento Quantidade.

Interceptação

kg/ha fornecido por Fluxo de Massa 168 (98,2%)

Difusão

N

170

2 (1,2%)

-

P

35

1 (2,9%)

2 (5,8%)

33 (94,3%)

K

175

4 (2,3%)

35 (20,0%)

136 (77,7%)

Ca

35

60 (171,4%)

150 (428,6%

-

Mg

40

15 (37,5%)

100 (250,0%)

-

S

20

1 (5,0%)

19 (95,0%)

-

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

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

UEM - Nutrição Mineral de Plantas vez, provê quantidade suficiente de N, Ca, Mg e S, mas apenas 20% do K. O K e o P chega as plantas basicamente por difusão. Na Interceptação Radicular, como o próprio nome sugere, as raízes crescem, explorando o solo em todas as direções e, assim, entram em contato direto com os nutrientes a ser absorvido. Considerando que as raízes ocupam em média apenas 1% ou menos do volume total do solo, e admitindo-se que o solo tenha um terço de seu volume total constituído de poros cheios com uma solução que pode ser 3 vezes mais concentrada que a massa do solo adjacente, assim, as raízes podem contatar no máximo 3% dos nutrientes disponíveis no solo. No Fluxo em Massa, a água absorvida pelas plantas, fluem ao longo de um gradiente de potencial hídrico, arrastando consigo os nutrientes dissolvidos no solução do solo para próximo da superfície radicular onde ficam disponíveis para a absorção. O fluxo em massa pode suprir a maior parte das exigências de N(NO3-), Ca, Mg e S(SO42-), mas apenas parte do K e do P. De modo geral, os íons muito solúveis, podem até se acumularem, principalmente, quando a taxa de absorção e de transpiração de água são muito altas. O fluxo em massa é influenciado basicamente pela: a. Concentração do nutriente na solução do solo b. Taxa de transpiração da planta O Quadro 2.3 apresenta o efeito de duas taxas de transpiração sobre a absorção do Ca e do Mn. Quadro 2.3 - Efeito da transpiração sobre a absorção de Ca e de Mn Taxa de Transpiração

a

Parâmetro Avaliado

1

b

2 3

Peso da planta (g/vaso)

2,28

2,38

Ca absorvido (meq/vaso)

0,91

2,22

0,47 (52%)

1,94 (87%)

Ca suprido por fluxo em massa (meq/vaso)

Mn absorvido (µeq/vaso)

21,80

28,90

Mn suprido por fluxo em massa (µeq/vaso) 4,70 (22%)

19,50 (65%)

1

- transpiração de 106 ml de água/g 2 - transpiração de 444 ml de água/g 3 - média para 4 espécies: tomate, soja, alface e trigo.

Quando o restabelecimento de um determinado íon pelo solo é menor que a quantidade absorvida pelas raízes ocorre uma redução na sua concentração nas proximidades da superfície radicular estabelecendo-se um gradiente de concentração ao longo do qual o íon se move. Este processo é chamado de Difusão.

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas A formação de gradientes de concentração na proximidades das raízes foi demonstrado para P e para K pela técnica da autoradiografia. O gradiente de concentração para fósforo em raízes de milho pode ser observada na Figura 2.0.

Figura 2.0 - Autoradiografia de raízes de milho em um solo marcado com 32P mostrando zonas de depleção do fósforo nas imediações das raízes ( remoção do 32P é indicado pelas zonas pretas). Alguns dos principais fatores que afetam a difusibilidade dos íons no solo estão contidos nos termos da equação do coeficiente de difusão abaixo: D = D1 θ f1 ( dC1 1/ dC) + DE+ a. Conteúdo Volumétrico de Água no Solo (θ ) O aumento do conteúdo hídrico do solo (θ ) resulta numa diminuição na tortuosidade da rota de difusão e, portanto, num aumento na taxa de difusão e, portanto, num aumento na taxa de difusão. Pode afetar também a distribuição do íon entre a fase sólida e a solução. b. Impedância (f1) Este fator leva em consideração primariamente a tortuosidade da rota seguida pelo íon nos poros do solo. Ele pode afetar aumentando a distância a ser percorrida ou reduzindo o gradiente de concentração ao longo desta rota. Além disso, pode incluir o efeito do aumento na viscosidade da água próximo a superfície carregadas e influencia na absorção de ânions (repulsão pelas cargas negativas das micelas de argila). Em solos muito secos f1 tem valores muito baixos ( 2 x 10-4 em ψw = -10 MPa; 10-2 em ψw = -1Mpa) , mas entre -1 e -0,1 bares aumenta linearmente com o conteúdo hídrico. Em solos saturados f1 tem valores entre 0,4 e 0,7.

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas c. Capacidade tamponante do solo ( dC/dC1) Representa a capacidade do solo reabastecer a solução do solo num definido soluto à 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 disponível no solo e do fator intensidade (I) que reflete, em temos simples, a concentração do nutriente na solução do solo. As principais inter-relações entre estes fatores são ilustradas na Figura 2.1.

Figura 2.1 - Representação esquemática das inter-relações entre os fatores quantidade e intensidade no fornecimento de nutrientes às raízes da planta (adaptado de MARSCHNER, 1997). As raízes das plantas absorvem, principalmente, os nutrientes que estão na solução do solo cuja concentração é mantida, por sua vez, por um “pool extraível”, muito maior, onde os nutrientes estão adsorvidos. 2.3 - Fatores que afetam a absorção de íons Há vários fatores que influenciam a absorção de íons. Estes fatores podem ser tanto internos como externos. Os internos referem-se aos fatores intrínsecos a planta, enquanto que os externos são todos os fatores do meio (tanto bióticos como abióticos) que influenciam de forma direta ou indireta a absorção de íons. Os modelos matemáticos para explicar a absorção de íons do solo são 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 íons alcançam a superfície radicular, podendo então, ser absorvidos, levando também em consideração a distribuição das raízes. A transpiração da planta neste grupo é de grande importância uma vez que ela influencia no fluxo de água para as raízes. 13

UEM - Nutrição Mineral de Plantas FATO R ES DO SO LO ! D is trib u içã o d a s raíze s ! D e n sid a d e d e ra íze s ! F lu xo d e á g u a p a ra a ra íz ! C o e fic ie nte d e d ifus ã o e fetivo ! C a p a cid a d e tam p ão ! C o n ce n tra ç ã o in icia l d a s o lu çã o

F A T O R E S M O R F O L Ó G IC O S ➤ T a xa d e cre s cim e n to d a ra iz ➤ R a io m é dio d as ra íz e s ➤ F re q ü ê 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 pê lo s ra d icu la re s ➤ Q u an tid ad e e fre q u ê n cia d e m ico rriza

CO NC ENTR AÇ ÃO NA S U P E R F ÍC IE R A D IC U LA R Á 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 Ç Ã O

FATO R ES DE ABSO RÇÃO

IN F L U X O D E ÍO N S

! In flux o m á 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 )

Figura 2.2 - Esquema dos parâmetros que são usados para a elaboração de cálculos matemáticos para explicar a absorção de elementos minerais pelas raízes no solo (CLARKSON, 1985). O grupo dos fatores morfológicos define a taxa de crescimento da área de absorção do sistema radicular, o que influencia diretamente a taxa de absorção dos nutrientes. As micorrizas (VA) podem aumentar a área de absorção e por conseqüência melhorar os mecanismos de absorção da planta. O grupo do fatores de absorção está estritamente ligado as constantes cinéticas de absorção (Vmax, Km e Cmin). Assim, verifica-se que o “influxo de íons” é determinado por vários fatores, e que qualquer alteração em um destes fatores acarretará mudanças na capacidade de absorção dos íons e, portanto, no influxo de íons pelo sistema radicular. Deve-se ressaltar que a disponibilidade dos elementos minerais no solo dependem de vários fatores como; pH, umidade, concentração do elemento no solo, aeração, matéria orgânica, competição entre os íons pelos mesmos ou diferentes sítios de absorção na membrana plasmática do sistema radicular. Além desses itens acima citados deve-se sempre levar em consideração que as raízes também possuem grande influência sobre a rizosfera, e assim, sobre a disponibilidade dos nutrientes, devido as modificações nas concentrações dos nutrientes, no pH da rizosfera, e na produção de exsudatos radiculares. Os microrganismos são agentes que podem também influenciar sobremaneira a disponibilidade e a eficiência dos mecanismos de absorção dos elementos minerais. A seguir descrever-se-á os principais fatores a influenciar a absorção iônica considerando o exposto acima: 14

UEM - Nutrição Mineral de Plantas 2.3.1 - Fatores externos A. pH O efeito do pH sobre a absorção de íons pode ser “direto” ou “indireto”. O efeito “direto” refere-se a competição entre o H+ e os outros cátions (pH baixo), e do OH- com os outros ânions (pH alto). Como a acidez do solo predomina na maioria dos solos, o efeito do H+, tem maior relevância. Uma influência típica do pH externo na taxa de absorção de um cátion é mostrado na Figura 2.2. Quando a concentração do H+ aumenta (redução do pH), a absorção de K+ diminui drasticamente, principalmente na ausência de Ca++, havendo inclusive um efluxo de K+. A adição de Ca++ reduz o efluxo e K+ induzido pelo excesso de H. Evidencia-se deste modo, o efeito protetor e regulatório do Ca++ à nível de membrana. O H+ afeta adversamente o mecanismo de transporte de íons, e a permeabilidade das membranas celulares, provavelmente pelo decréscimo da eficiência da bomba “H+-ATPase, que reduz o efluxo de H+ para o exterior celular, aumentando assim a absorção passiva de H+. Em conseqüência da absorção passiva de prótons há uma redução do potencial eletroquímico de membrana e conseqüente inibição na absorção de cátions. O excesso de H+ causa também aumento descontrolado na permeabilidade da membrana uma vez que ele substitui o Ca, que por sua vez é indispensável para a correta manutenção da permeabilidade e integridade da membrana plasmática (ver funções dos nutrientes). O efeito “indireto” na absorção 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 - Absorção líquida de K+ de 5 mM de KBr por raízes de cevada em relação a variação do pH externo, com (+ Ca) e sem (- Ca+) suprimento de cálcio. 15

UEM - Nutrição Mineral de Plantas A disponibilidade de íons é em geral, máxima na faixa de pH 6 a 7 para os macronutrientes, sendo que nesta faixa não há grande limitação para os micronutrientes (Figura 2.4). Como o exposto anteriormente, a maioria dos solos do território brasileiro, principalmente os sob o cerrado, possuem problemas de acidez. Daí a importância da calagem adequada nestes solos.

Figura 2.4 - Relação entre pH e disponibilidade de elementos no solo. Além da calagem as plantas também influenciam no pH do meio, principalmente da rizosfera. As raízes podem alterar o pH do meio de diversas maneiras: a. Absorção diferencial de cátions e ânions. Quando a absorção de cátions excede à de ânions as raízes excretam H+ reduzindo o pH do meio. Quando a absorção de ânions excede a de cátions as raízes excretam OH- ou HCO3- elevando o pH do meio. Quando o N, por exemplo, é fornecido na forma de NH4 +, a absorção de cátions excede significativamente à de ânions fazendo com que as raízes excretem H+ para o meio externo e, assim, reduzindo o pH. Já, quando o N é fornecido na forma de NO3- acontece o inverso, isto é, a absorção de ânions passa a ser maior do que a de cátions resultando na elevação do pH do meio externo (Figura 2.5).

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Figura 2.5 - Variação do pH da solução externa em relação ao tempo quando plantas de sorgo são suprida somente com NO3-, ou somente com NH4+ ou com ambos na proporção de 8NO3- :1NH4+. Concentração de N total, 300 mg L-1. (MARSCHNER, 1997). Quando as duas formas são adicionadas concomitantemente, há uma tendência ao equilíbrio do pH (Figura 2.5). b. Produção de CO2 pela respiração radicular. Durante a respiração há a produção de CO2 que ao se dissolver no meio causa redução do pH do mesmo: C0 2

+

H 2O

H 2 CO 3-

H + + HCO -3

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

d. Excreção de H+ por microrganismos associados à rizosfera. As variações de pH afetam a disponibilidade dos elementos e a permeabilidade das membranas como mencionado anteriormente, e a solubilidade de certos íons. Em geral, pH baixo, favorece a solubilização, enquanto que pH mais alto, favorece a precipitação de sais e/ou hidróxidos de cátions polivalentes. Por exemplo, Al3+ e Fe3+ são muito solúveis em pH abaixo de 4, enquanto que em pH mais elevado podem precipitar na forma de seus hidróxidos ou de fosfato (dependendo dos níveis de fósforo do meio). B. Aeração A absorção ativa de íons é dependente de energia metabólica (ATP), que provem quase que exclusivamente da respiração. Quando a tensão de O2 diminui, a absorção de íons como o K e o P também diminuem, sendo a redução mais significativa a baixas tensõesm, como mostrado no Quadro 2.4. 17

UEM - Nutrição Mineral de Plantas Quadro 2.4 - Efeito da pressão parcial de O2 em torno das raízes na absorção do potássio e do fosfato por plantas de cevadaa Pressão Parcial de Oxigênio (%)

Absorçãob

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

Fósforo 100 56 30

A dependência de energia na absorção, pode também ser observada na Figura 2.6, onde se observa o aumento na absorção do fósforo com o aumento na tensão do oxigênio em raízes destacadas de cevada. Assim, pode-se com propriedade afirmar que a deficiência de oxigênio é um dos fatores que pode limitar substancialmente o crescimento das plantas em substratos pobremente aerados, como é o caso de solos alagados ou compactados. As práticas culturais que aumentam o teor de oxigênio no solo, como a aração, gradagem, subsolagem e o plantio direto contribuem para melhorar a eficiência de absorção dos nutrientes. A aeração tem também efeito indireto sobre a absorção uma vez que aumenta a disponibilidade dos nutrientes no solo devido; a transformação da matéria orgânica (mineralização), oxidação de elementos como o NH4+ a NO3(ex. bactérias nitrossomonas e nitrobacter), e do S2 a SO42- (forma de enxofre absorvida pelas raízes). Todavia, a aeração pode em alguns casos reduzir a disponibilidade de Fe, pela oxidação da forma ferrosa à forma férrica (menos absorvida). Já a baixa aeração do solo, como ocorre em solos alagados, pode acarretar fitotoxidez pelo excesso de Fe2+ e de Mn2+ acumulado.

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

UEM - Nutrição Mineral de Plantas C. Temperatura Nos processos físicos, a troca de cátions adsorvidos no espaço livre aparente (ELA) é muito pouco afetada pela temperatura (Q10* = 1,0 ~ 1,2). Entretanto, reações químicas são muito mais dependentes de temperatura. Um aumento na temperatura de 10°C aumenta a reação química em um fator de 2 (Q10 ~ 2,0). Para reações bioquímicas valores maiores do que 2 são observados. Da mesma forma, para a absorção de potássio, o Q10 freqüentemente é maior do que 2, considerando a temperatura dentro de níveis fisiológicos (Figura 2.7). Uma comparação dos valores de Q10 para a absorção de íons e respiração, revelam que a absorção de íons é mais dependente de temperatura do que a respiração, especialmente em baixas temperaturas. Isto pode indicar, que plantas sensíveis ao congelamento como o milho, podem restringir a absorção de íons a baixa temperatura em primeira instância devido a redução da fluidez da membrana e depressão acentuada da atividade da bomba H+ - ATPase ligada a porção interna da membrana. Em temperaturas supraótimas, a respiração aumenta e a absorção diminui (Figura 2.7), indicando uma possível desnaturação protéica da membrana plasmática, e a conseqüente perda da permeabilidade seletiva.

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

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

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D. Umidade A água constitui-se no veículo pelo qual os íons podem atingir a região de absorção na planta, principalmente pelos processos de difusão e fluxo em massa. Baixo conteúdo de água no solo, induz obrigatoriamente a deficiência mineral nas plantas. Um exemplo clássico é a deficiência de Ca na planta, demonstrado pela morte apical e pela “podridão apical” em tomate. Esta última é uma doença típica da deficiência de água no solo, onde o Ca não supre a necessidade da plantas. Assim, verifica-se que não basta que os elementos estejam em quantidade e proporção suficiente, mas é preciso, que o teor de água no solo seja suficiente para a solubilização e o transporte dos íons. E. Íon Embora haja a interação dos íons com os grupos carregados no apoplasto da parede celular, a absorção de íons pelas raízes é determinado primariamente pelo transporte através da membrana, em especial a membrana plasmática. Algumas propriedades físico químicas dos íons e de outros solutos como por exemplo o diâmetro do íon e a valência, podem determinar a taxa de transporte na membrana. Para íons com a mesma valência há uma negativa correlação entre a taxa de absorção e o raio do íon. Obviamente, outros fatores além do diâmetro iônico estão envolvidos na regulação da absorção. Um destes, é a afinidade dos transportadores ligados a membrana, ou canais, pelos íons de uma dada valência. As membranas são constituídas principalmente de fosfolipídios, sulfolipídios e proteínas, contendo grupos carregados eletricamente, e os íons interagem com estes grupos. Como regra geral, a força desta interação aumenta na seguinte ordem: Moléculas sem cargas < Cat+ , An- < Cat2+, An2- < Ca3+ , An3+ Assim, a taxa de absorção do íon diminui na mesma ordem. O aumento do raio de hidratação com a valência é certamente um fator adicional responsável por esta ordem. O pH influencia na dissociação dos íons. Um exemplo é a absorção de B que cai drasticamente quando o pH aumenta devido a alteração da forma molecular (ácido bórico) para a forma dissociada (ânion borato). O mesmo pode acontecer para fitormônios como o ácido abscísico (ABA). F. Interações entre Íons Na solução externa (solo ou solução de nutrientes) tanto os cátions como os ânions estão presentes em concentrações e formas diferentes. Assim, várias interações entre os íons durante sua absorção podem acontecer. As principais interações são: Inibição e sinergismo. 20

UEM - Nutrição Mineral de Plantas a. Inibição - deve-se a redução na taxa de absorção de um determinado elemento em virtude da presença de um inibidor. A inibição pode ser “competitiva” ou “não competitiva”. A inibição competitiva ocorre quando o elemento compete com o inibibor pelo mesmo sítio ativo do transportador ligado a membrana. Neste tipo de competição a inibição imposta pelo inibidor pode ser anulado pela aumento na concentração do elemento. Na inibição não competitiva o íon e o inibidor não competem pelo mesmo sítio de absorção do transportador. Neste caso o efeito do inibidor não pode ser revertido com o aumento na concentração do íon. Um exemplo típico para a inibição não 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 absorção de 28Mg por plântulas de cevada (concentração de cada cátion: 0,25 meq L_1) Mg absorvido (µeq/10 g raiz fresca 8 h –1)

Parte da Planta

Raiz Parte aérea

MgCl2

MgCl2 + CaSO4

MgCl2 + CaSO4 + KCl

165

115

15

88

25

6,5

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

Para evitar tais competições é imperativo que se estabeleça práticas de adubação e calagem de maneira a ter-se um equilíbrio de nutrientes na solução do solo, evitando assim a deficiência na planta por este tipo de competição.

II//VV II ++ IICC ((AA )) II

11 //[[M M ]]

II//VV

II ++ IINN CC

((BB )) II

11 //[[M M ]]

Figura 2.8 - Transformação de Lineweaver Burk para inibição competitiva (A) e não competitiva (B). I =íon ou elemento; IC = Inibição competitiva; INC = Inibição não competitiva.(Modificado de MALAVOLTA, 1997). 21

UEM - Nutrição Mineral de Plantas Observa-se na Figura 2.8, que na “inibição competitiva”, o ponto de intersecção da ordenada permanece o mesmo, mudando apenas o coeficiente angular da reta. Neste caso, não há mudança no Vmax, pois aumentando a concentração do elemento o efeito do inibidor é anulado. Já, na “inibição não competitiva” tanto o ponto de intersecção na ordenada quando o coeficiente angular é alterado, havendo desta forma mudança no Vmax, uma vez que o aumento na concentração do inibidor (I) o efeito do elemento não é anulado. Todavia, não há mudança no Km. b. Sinergismo - deve-se ao estímulo positivo na absorção de um elemento pela presença de outro. Um exemplo de sinergismo é o estímulo a absorção de cátions e ânions na presença do Ca em baixa concentração (efeito VIETS). O Mg2+ também aumenta a absorção do fósforo. Alguns exemplos do efeito interiônico podem ser apreciados no Quadro 2.6. Quadro 2.6 - Efeitos interiônicos de alguns elementos

G. Micorrizas As micorrizas são associações simbióticas entre certos tipos de fungos com as raízes das plantas. A associação micorrízica se caracteriza por um contato íntimo e perfeita integração morfológica e, pela troca de metabólitos entre os simbiontes. As micorrizas ocorrem na maioria das espécies vegetais superiores, sendo a colonização das raízes pelos fungos estimulada pela liberação de substâncias orgânicas pelas plantas e por microrganismos do solo. 22

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

FIGURA 2.9 - Representação esquemática das principais características estruturais de micorrizas vesículo-arbuscular (VA) (à esquerda), e de ectomicorrizas (à direita). RM, rizomorfas. As ectomicorrizas, encontradas principalmente em espécies arbóreas de clima temperado, caracterizam-se pela formação de um compacto manto micelial em torno das raízes colonizadas. O fungo penetra, também, nos espaços intercelulares do córtex das raízes da planta hospedeira formando uma rede micelial denominada “rede de Hartig”. Filamentos de hifas no manto micelial podem estender-se no solo, a vários centímetros das raízes infectadas, absorvendo nutrientes da solução do solo que normalmente não podem ser alcançados pelas raízes das plantas. As micorrizas vesículo-arbusculares (VA), presentes em quase 80% das espécies vegetais, caracterizam-se pela penetração inter e intracelular do micélio do fungo. O micélio penetrando numa célula desenvolve um complexo sistema de ramificações que mantém um íntimo contato com a membrana plasmática da célula hospedeira. Há, em conseqüência, grande expansão superficial da membrana plasmática favorecendo as trocas de metabólitos entre os simbiontes. Os principais benefícios atribuídos a associação micorrízica são: a. Aumento na área superficial de absorção. O manto micelial se estende por vários centímetros no solo aumentando enormemente a superfície de contato/absorção de água e sais minerais do sistema simbiótico. De acordo com a estimativa de HARLEY (1989) as raízes micorrizadas podem ter sua área superficial aumentada em até 1000 vezes. 23

UEM - Nutrição Mineral de Plantas b. Aumento na eficiência dos mecanismos de absorção de nutrientes minerais. O fungo pode secretar enzimas hidrolíticas (fosfatases ácidas, por exemplo) que aumentam a disponibilidade de certos substratos ou pode contribuir para um aumento na eficiência dos mecanismos de absorção refletidos em aumento de Vmax e diminuição de Km e de Cmin (ver item 4.3 – Cinética de absorção). Quadro 2.7 - Efeito da colonização das raízes de Pinus caribaea com Pisolithus tinctorius sobre a produção de matéria seca e fresca e sobre as constantes cinéticas da absorção de P Condição da raiz

Não Micorrizada Micorrizada

Infecção (%)

Peso da Mat. Fresca (g)

0 87

Constantes Cinéticas µmole g_1 h-1

µM

µM

8,2

0,23

16,4

12,0

12,3

0,30

3,9

0,3

FONTE: PACHECO & CAMBRAIA, 1992.

As raízes micorrizadas (aproximadamente 87% do sistema radicular) apresentam maiores valores de Vmax e muito mais baixos valores de Km e de Cmin indicando uma maior eficiência na absorção de P do que as não-micorrizadas (Quadro 2.7). Resultados como estes têm sido constatados não somente em ecto- mas também em endomicorrizas, tanto para P como também para outros elementos minerais. c. Aumento na resistência a estresse hídricos e nutricionais. d. Proteção contra patógenos do solo. 2.4.2 - Fatores internos A. Potencialidade genética O processo de absorção iônica está sob o controle genético. Mesmo entre cultivares pode se encontrar diferenças na capacidade e na velocidade de absorção iônica, em decorrência de vários fatores como: diferenças nos valores dos parâmetros cinéticos (Vmax, Km e Cmin), na capacidade de solubilizar elementos na rizosfera, na produção de secreções radiculares, na capacidade de estabelecer simbiose, associações, etc. Certos cultivares, tolerantes ao alumínio, por exemplo, absorvem em maior proporção o P e o Ca, como um mecanismo de defesa contra este elemento fitotóxico.

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas B. Estado iônico interno A planta possui um sistema de controle interno que permite a modulação da absorção iônica. Normalmente quando a concentração interna aumenta muito, há um mecanismo de ajuste (“feedback”) que determina a redução na absorção dos elementos minerais. Como exemplo, pode-se citar a inibição na absorção do sulfato pela cisteína e metionina, que são produtos da redução/ assimilação do sulfato. Como se observa, há um ajuste fino, não só para o sulfato, mas para praticamente todos os elementos controlando a absorção iônica. A membrana plasmática possui grande papel na seletividade dos íons, a serem absorvidos e eliminados pela planta. C. Nível de carboidratos Durante o processo de absorção radicular, há gasto de energia metabólica, especialmente ATP. Este ATP é oriundo, em sua grande maioria, da hidrólise dos esqueletos carbônicos (carboidratos) produzidos pelo processo fotossintético. Assim, é de bom senso esperar que o suprimento de carboidratos da parte aérea para o sistema radicular é indispensável para que a absorção iônica radicular aconteça. No quadro 2.8, observa-se que a taxa de absorção radicular do K em cevada, decresce com a redução no suprimento de carboidratos, provavelmente pelos motivos já expostos acima. Quadro 2.8 - Conteúdo de carboidratos na raiz e a taxa de absorção de K por raízes destacadas de cevada

(1)

Carboidrato(1) (mg glicose/ g raiz fresca)

Absorção de K (nmol/ g raiz fresca h)

3,0 1,9 1,5 1,3

49 36 18 9

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

D. Intensidade transpiratória O aumento da transpiração favorece o fluxo em massa de alguns elementos minerais, em direção a superfície radicular, o que pode colaborar na absorção. Entretanto, a absorção propriamente dita, não depende da intensidade da transpiração, uma vez que a mesma é comandado por processos metabólicos com gasto de energia, especialmente por bombas. Estas bombas é que determinam a absorção dos íons, portanto, a absorção vai estar vinculada a atividade destas bombas. Uma vez os íons no vaso do xilema, a maior ou menor intensidade da transpiração vai afetar a ascensão dos íons para a parte aérea, uma vez que os íons são levados segundo um fluxo em massa até a parte aérea. 25

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3. ABSORÇÃO RADICULAR Para o perfeito entendimento de como os íons são absorvidos pelo sistema radicular, é importante o conhecimento de algumas características e propriedades da parede celular e da membrana plasmática. 3.1 - Parede Celular A parede celular é um fino envoltório celulósico, de aproximadamente 1µm de espessura, que envolve e protege o protoplasto. Suas principais funções são: - Dar resistência mecânica a célula; - Controlar o crescimento celular; - Formar uma barreira mecânica a penetração de certos microorganismos patogênicos; - Regular certas funções celulares. A célula vegetal madura é constituída por 3 camadas distintas: - Parede primária: é a primeira a se formar e é constituída principalmente de celulose, hemicelulose e substância pécticas; - Parede secundária: difere da parede primária por faltar substâncias pécticas e por conter maior porcentagem de celulose (mais força e rigidez). Pode conter lignina o que torna as células mas rígidas e impede o crescimento celular; - Lamela média: localiza-se entre as células. Constitui um material amorfo, constituído de substâncias pécticas (grande quantidade de Ca). Tem a função de manter as células coesas e cimentadas. Grande número de orifícios (pontuações) ocorrem na parede secundária em várias disposições e tamanhos (ficando a parede celular resumida à parede primária), conectando as células adjacentes. Esta conexão é feita por plasmodesmas que interconectam as células 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 = Retículo endoplasmático. Os elementos minerais para atingir a membrana plasmática, primeiramente devem passar pela parede celular. A difusão através da parede celular depende: a. Espaço molecular Há entre as microfibrilas e entre as micelas espaços, chamados interfibrilares, que possuem diâmetro médio de 10 e 1 nm, respectivamente. O tamanho destes espaços podem ser reduzido, até certo ponto, pela presença de matriz amorfa. Mesmo assim, a água e os pequenos solutos possuem diâmetro inferior a estes espaços, como se pode observar no Quadro 3.0, portanto, não há impedimento físico para os elementos minerais. Quadro 3.0 - Tamanho de vários solutos

Soluto H20 Glicose Na+ NH4+

Tamanho Não Hidr. Hidratado 0,39 0,89 0,27 0,30

0,54 -

Soluto Mg2+ Ca2+ Cl-

Tamanho Não Hidr. Hidratado 0,13 0,20 0,36

0,92 0,88 0,50

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

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas b. Cargas elétricas

Absorção de Soluto

A penetração de solutos em tecidos vegetais, como o radicular por exemplo, seque quase sempre uma isoterma como a que segue:

Fase 1

Fase 2

Temperatura Normal sem veneno metabólico

Absorção

ELA

Baixa Temperatura ou com veneno metabólico

Tempo Figura 3.1 - Absorção em função do tempo Como se observa na Figura 3.1, a penetração de solutos em tecidos vegetais em função do tempo exibe basicamente duas fases: a) Uma fase 1 rápida, com t1/2 * de saturação do sistema de poucos minutos, não influenciadas por baixas temperaturas e por venenos metabólicos. Esta fase é passiva e corresponde a ocupação do espaço livre aparente (ELA) ou apoplasto. b) Uma fase 2 lenta, linear e que leva várias horas para se completar. Esta fase é eliminada por baixas temperaturas e por venenos metabólicos, sendo, portanto, ativa ou metabólica. Corresponde à passagem do soluto através de uma membrana celular e, portanto, constitui o que se pode chamar de absorção verdadeira. O ELA corresponde a 8 a 15 % do volume total do tecido e é constituído de espaço livre de Donnan (ELD) e espaço livre á água (ELW). O ELD corresponde a cerca de 2% do volume total do tecido, e é o local possuidor de carga elétrica líquida onde os íons podem ser adsorvidos (Figura 3.2). A parede celular possui grupos ionizáveis que produzem carga elétrica negativa (grupos carboxílicos livres das pectinas) e/ou carga elétrica positiva (glicoproteínas). A primeira predomina amplamente sobre a segunda, de tal forma que a raiz é considerada um trocador de cátions. As dicotiledôneas possuem, em geral maior CTC. * 1/2

t

– tempo necessário para saturar 50% do sistema

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Figura 3.2 - Diagrama esquemático do sistema de poros do Espaço Livre Aparente; Espaço Livre de Donnan (ELD) e Espaço Livre a Água (ELW). 3.2 - Membrana Plasmática A membrana plasmática é uma estrutura lipoprotéica extremamente fina (8 a 10 nm) que separa o protoplasto do meio exterior. Constitui uma efetiva barreira à livre movimentação de solutos, controlando o fluxo para dentro e para fora das células. Entretanto, não é uma barreira meramente passiva. Possui vários tipos de proteínas especializadas na promoção ou catálise de vários eventos metabólicos. São providas de bombas, transdutores de energia, receptores na sua superfície, logo, controlam a composição quantitativa e qualitativa do citoplasma influenciando profundamente no metabolismo celular. •

Funções básicas As funções básicas principais são:

a. Permeabilidade Seletiva A membrana plasmática é capaz de diferenciar dentre os diferentes solutos disponíveis no meio externo promovendo a absorção de uns em detrimento de outros. A base da seletividade não é bem conhecida, mas pode ser explicada em parte pela força do campo elétrico do sítio de ligação/absorção no transportador ou no canal iônico.

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas b. Participação na transferência de energia A membrana utiliza o ATP para o transporte ativo de íons propriamente dito. Acredita-se que a energia liberada na hidrólise do ATP seja utilizada para formas um “estado de alta energia ‘que ao ser dissipado permite o movimento do íon contra seu gradiente de potencial eletroquímico. A membrana não apresenta apenas atividade ATPásica, isto é, capacidade de hidrolisar o ATP liberando a energia, mas, também, mantém o gradiente de potencial eletroquímico até o momento de executar o movimento do soluto. Composição Química A composição química 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 - Composição química da membrana plasmática de raízes de aveia Composição Química

Membrana Plasmática

Proteína (mg/mg MS) Lipídios (mg/mg MS) Relação Lipídio/Proteína Fosfolipídios (% do total)

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

KEENAN et alii. Cytobios 7:103-112. 1973.

Neste caso, verifica-se que a membrana plasmática é constituída de 46% de proteínas e de 54% de lipídios. As membranas de organelas, tais como cloroplastos e mitocôndrias, por exemplo, são mais ricas em proteínas do que a membrana plasmática (membranas totais). A grosso modo, admite-se que a membranas plasmáticas, em média, possuem 50% de proteína e 50 % de lipídios. a. Proteínas São em sua maioria globulares (6 a 8 nm de diâmetro) e apresentam grande quantidade de alfa hélice em sua estrutura (40%). A maior parte destas proteínas encontra-se na face citoplasmática da membrana plasmática, as quais possuem funções catalíticas, entre elas: ATPase, 5’ - nucleotidase, fosfatase alcalina e ácida, etc. Quanto a localização na estrutura da membrana, as proteínas podem ser classificadas em: - Intrínsecas ou integrais: penetram profundamente na estrutura da bicamada, interagindo fortemente com os lipídios (pontes de “H”, interações eletrostáticas, forças de van der waals entre os grupos apolares). Constituem de 70 a 80% da proteína total presente na membrana (Figura 3.3). São as principais responsáveis na transferência de íons e outras substâncias para ambos os lados da membrana. 30

UEM - Nutrição Mineral de Plantas - Extrínsecas ou periféricas: quando se associam fracamente a superfície da membrana, constituindo 20 a 30 % da proteína total das membranas.

Figura 3.3 - Modelo de uma biomembrana com lipídios polares, proteínas extrínsecas e intrínsecas. Esta última pode atravessar a membrana para formar os canais protéicos (MARSCHNER,1997). b. Lipídios São em sua maioria de natureza “anfipática” (porção polar e apolar na mesma molécula). Formam “lipossomos” (microscópicos agregados esféricos) em solução aquosa, com a porção polar voltada para fora da bicamada, sendo bastante estáveis devidas a interações hidrofóbicas (entre grupos apolares) e interações hidrofílicas ( isto é, entre grupos polares). Água

água

Lipossomo

água

Os principais lipídios de membrana plasmática de folhas de espinafre são: Componente Fosfolipídios Esfingolipídios Glicolipídios Esteróis

% do lipídio total 63,8 13,6 2,7 19,9 31

UEM - Nutrição Mineral de Plantas c. Fosfolipídios Os fosfolipídios são os mais importantes, e constituem de 20 a 60% do lipídio total das membranas. São diacilgliceróis aos quais está esterificado um ácido fosfórico. Os principais são: ácido fosfatídico, fosfatidil colina, fosfatidil etanolamina, fosfatidil inositol e fosfatidil serina. Os principais ácidos graxos presentes na fração lipídica de membrana plasmática são: ácido palmítico (16:0), ácido esteárico (18:0), ácido oléico (18:1), ácido linoléico (18:2) e ácido linolênico (18:3). O grau de insaturação é importante fator de adaptação de plantas à baixas temperaturas, uma vez que quanto maior o grau de insaturação do ácido graxo menor o ponto de fusão. A tolerância de espécies ao frio, estão relacionadas em grande parte, a capacidades que estas espécies tem de alterar a composição dos ácidos graxos menos insaturados por ácidos graxos mais insaturados (maior número de ligações duplas. d. Glicolipídios São diacilgliceróis aos quais estão esterificados uma ou mais unidades monossacarídicas de glicose ou galactose. Os dois principais são: monogalactosil e digalactosil. e. Esfingolipídios 0s esfingolipídios são derivados da esfingosina. •

Permeabilidade das membranas

A membrana plasmática é uma bicamada semifluídica de lipídios onde estão mergulhados glóbulos de proteína. Os solutos, para atravessar a membrana, podem fazê-lo através da camada lipídica ou através de proteínas (transportador ou canal iônico). Assim, a seletividade ou permeabilidade depende, entre outros fatores do tipo de soluto e da rota metabólica a ser percorrida (via camada lipídica ou protéica), podendo ter, desta forma, componentes passivos e/ou metabólicos. A membrana plasmática por ser essencialmente apolar, apresenta forte restrição ao movimento de solutos polares (íons por exemplo). A permeabilidade das membranas, depende também em grande parte do peso molecular e da polaridade do soluto em questão. Além destes fatores a permeabilidade da membrana depende da: a. Temperatura - o aumento da temperatura aumenta a vibração das moléculas constituintes da membrana, aumentando a permeabilidade das membranas b. Energia metabólica - a manutenção da estrutura e da função das membranas importa em gasto de energia metabólica. Assim, qualquer fator que afete a produção de energia (tensão de oxigênio, venenos metabólicos, etc) provoca aumento na permeabilidade das membranas. 32

UEM - Nutrição Mineral de Plantas c. Íons orgânicos - podem apresentar efeitos gerais e específicos. Os cátions monovalentes ao interagirem com o sistema água/macromolécula, promovem a contração das proteínas com o afrouxamento da camada lipídica, aumentando a permeabilidade das membranas. Os cátions divalentes tem efeito exatamente oposto sobre a permeabilidade das membranas. A explicação para este comportamento não está ainda bem clara. 3.3. Sistemas de transporte através da membrana A membrana plasmática, bem como outras membranas celulares, controla intenso transporte de solutos para dentro e para fora das células (Figuras 3.4). Os principais sistemas de transporte operando nestas membranas são: A) Transporte Passivo O transporte passivo engloba todas as formas de transporte de soluto que se fazem à favor do gradiente de potencial eletroquímico sem gasto direto de energia. Os principais tipos são: a) Difusão Simples através da bicamada lipídica. Possui pequena importância para íons que encontram elevada resistência nesta fase. As principais substâncias que se movem por este processo são principalmente gases como 02, N2 e CH4. b) Difusão facilitada em que o movimento através da membrana é intermediado por transportadores ou permeases, como a permease de glicose em eritrócitos. c) Difusão através de canais iônicos ou difusão através de poros formados por proteínas embebidas na matriz lipóidal das membranas.

B) Transporte Ativo O transporte ativo engloba, basicamente, duas modalidades de transporte: a) Transporte ativo primário: refere-se ao transporte através de uma membrana contra o seu gradiente de potencial eletroquímico, sempre com gasto direto de energia metabólica (ATP, luz, etc). Este tipo de transporte é intermeado por H+-ATPases das quais são conhecidas três: ATPase “P” (membrana plasmática), ATPase “V” (vacúolo) e ATPase “F” (membrana do tilacóide). b) Transporte ativo secundário: este tipo de transporte, gasta indiretamente a energia de gradiente eletroquímicos produzidos pelo transporte ativo primário. Pode ser simporte, antiporte ou uniporte (Figura 3.5). 33

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Figura 3.4 - Principais mecanismos de transporte na membrana plasmática. (A) H+-ATPase; (B) Canal iônico; (C) Transportador; (D)Proteínas acopladas a percepção de sinal e transdução. (MARSCHNER, 1997). Quando o íon atravessa sozinho a membrana é dito uniporte. Quando dois íons entram juntos, no mesmo sentido é dito simporte. Já, quando dois íons passam ao mesmo tempo pela proteína, mas em sentidos opostos é dito antiporte. Estes dois últimos são considerados sistemas em co-transporte.

Figura 3.5 – Esquema mostrando o tipo de transporte secundário na membrana. No Quadro 3.2 está sumarizado os principais tipos de transportes.

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas Quadro 3.2 - Sumário dos principais tipos de transporte Tipo de Transporte 1. PASSIVO Difusão Simples Difusão Facilitada Canais Iônicos 2. ATIVO Primário Secundário

Características 3 4

1

2

não sim sim

não sim não

não não não

não não sim

sim sim

sim sim

sim não

sim sim

5

6

gradiente

104 -106 ATP, luz

500

gradiente

1- Mediado por moléculas de proteína; 2 - Saturável com a concentração do substrato; 3 - Produz gradiente de potencial eletroquímico; 4 - Dependente de energia; 5 - Fonte de energia; 6 Número de moléculas transportadas/ molécula de proteínas (Lehninger, 1993).

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas ADENDRO ATPases Tanto a membrana plasmática como o tonoplasto e outras membranas intracelulares possuem diversas ATPases: ATPases ácidas, ATPases ativadas por cátions e ânions monovalentes, ATPases ativadas por prótons, ATPases ativadas por cátions divalentes, etc. Acredita-se que algumas delas estão envolvidas direta ou indiretamente envolvidas no transporte de íons. Tipos de ATPases A. Bomba de prótons +

A bomba de prótons ou, também, bomba extrusora de prótons é uma H -ATPase localizada na membrana plasmática que promove a extrusão de prótons do citossol gerando um gradiente eletroquímico de prótons através desta membrana ao longo do qual pode ocorrer simporte ou antiporte de solutos. As principais funções fisiológicas atribuídas a ela são: a. Controle do pH intra e extracelular A alcalinização resultante do bombeamento dos prótons para o meio exterior ativa a síntese de ácido málico, considerado um dos ácidos orgânicos mais importantes no controle do pH intracelular. b. Controle do crescimento celular +

Há em função do gradiente de prótons, o transporte de nutrientes, principalmente K , e de água que vão produzir a pressão hidrostática necessária para o rompimento da parede celular. O rompimento da parede celular é facilitado por um enfraquecimento das ligações entre as macromoléculas pela presença física dos prótons e pela liberação de fatores induzidos pela síntese de auxina na presença de prótons. c) Quebra de Dormência em sementes d) Desenvolvimento de polaridade em células e órgãos em crescimento

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas Estrutura Mecanismo de Ação +

A H -ATPase é uma proteína com peso molecular em torno de 100 kD, cuja estrutura provável é mostrado na Figura 1.

Exterior Celular

Canal de Cation ?

Citoplasma

P COOH D. Fosfatase

NH2

Domínio Cinase Domínio Transdução

:

Domínio auto-inibitório

+

Figura 1 – Modelo estrutural hipotético para a H -ATPase

Como se observa o polipeptídio ao interagir com a bicamada de lipídios forma 4 regiões bioquimicamente importantes: -

Uma região de atividade fosfatásica Uma região de transdução Uma região de atividade de cinase + Um canal para cátions, por onde o H , provavelmente, se desloca. +

Os prótons transportados pela H -ATPase originam-se provavelmente da molécula de água e movem-se através de um canal para cátions da própria molécula protéica: 4-

-3

ATP + H20 ↔ ADP

2-

+ HP04

+

+H

O número de prótons transportados por ATP hidrolizado é aproximadamente igual a 1. Modelo de Funcionamento +

Existem três hipóteses de funcionamento da H -ATPase: +

- O K ativa a bomba de prótons e é trocado por prótons + - O K ativa (do lado citoplasmático) mas não é transportado pela bomba de prótons + + - O K ativa mas é transportado através de um canal de K associado com a enzima.

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas Estas possibilidade de funcionamento estão sugeridas no modelo apresentado a seguir:

+

Figura 2 – Modelo de funcionamento da H -ATPase. +

Como se observa, a H -ATPase da membrana plasmática promove a extrusão de prótons com gasto de ATP gerando um gradiente de pH ou de cargas elétricas que pode ser usado para o + antiporte ou uniporte de cátions e para o simporte de ânions. A mesma H -ATPase no tonoplasto, entretanto, bombeia prótons para o vacúolo gerando também um gradiente de pH que possibilita + + um antiporte de H /K e, possivelmente, um, simporte de ânion acoplado ao bombeamento dos prótons. + Neste modelo a se propõe, também, a existência de uma H -ATPase vacuolar, sensível a Cl , que bombearia prótons do citossol para o vacúolo. 2+

B. Ca - ATPase 2+

2+

A Ca - ATPase é uma ATPase dependente de Mg e estimulada por calmodulina ( uma proteína de baixo peso molecular e relacionada com diversas funções metabólicas do cálcio) 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 concentração de Ca até 25 µM (in vitro), passando a decrescer acima deste valor, sendo o pH ótimo de 7,25. 2+ 2+ 2+ 2+> 2+ 2+ A seqüência de ativação por cátions divalentes é: Ca >Sr >Mn >Cu Co >Ba . A principal função desta ATPase parece ser a manutenção da concentração citossólica de 2+ Ca abaixo de 0,1 µM. CANAIS IÔNICOS Canais iônicos são aberturas ou poros formados dentro de/ou por moléculas de proteínas transmembranas que permitem um movimento difusional de íons a favor de seus gradientes eletroquímicos. Estes gradientes eletroquímicos são produzidos por bombas eletrogênicas, como + por exemplo a H -ATPase, com gasto de energia metabólica. Em conseqüência do estabelecimento destes gradientes que podem ser de pH ou de cargas elétricas observa-se a

38

UEM - Nutrição Mineral de Plantas polarização das membranas ( o potencial de membrana EM pode atingir –200 mV ou mais). O movimento difusional através dos canais iônicos que se segue promove uma rápida despolarização do sistema com o potencial de membrana subindo para 0 mV em aproximadamente 100 ms. A repolarização da membrana, isto é, o retorno do potencial de membrana para valores de –100 a –200 mV é mais lento, levando cerca de 2 s para se completar. A estrutura molecular dos canais iônicos ainda não é conhecida mas sabe-se que eles possuem: - Vestíbulos afunilados que, provavelmente, contêm resíduo de aminoácidos polares e/ou ionizados capazes de atrair os íons permeantes encaminhando-os à entrada do canal. - O poro ou canal, propriamente dito, com filtro de seletividade. O poro é basicamente, um cilindro distorcido formado pela proteína através da camada lipídica. Na face externa possui grupos hidrofóbicos que interagem com os lipídios, mas na face interna inúmeros grupos hidrofílicos alinhados ao longo do cilindro formando o chamado “filtro de seletividade”. Dependendo da força do campo elétrico gerado pelos grupos ionizados do canal e da força de hidratação destes íons, eles ao penetrarem nestes poros serão total ou parcialmente desidratados produzindo determinadas seqüências de seletividade. - “Portão” que controla a abertura/fechamento do poro. Esta abertura/fechamento, muito provavelmente, é determinada por mudanças estruturais da molécula protéica. - Acredita-se que haja um determinado sítio na molécula protéica ou se associa a ela um “sensor” que seria capaz de detectar a influência de certos fatores como luz, hormônios, etc. Um modelo proposto por HILLE (1984) é mostrado na Figura 3.

Figura 3 – Modelo de canal iônico Fatores que afetam a abertura do canal iônico a) Diferenças de potencial elétrico. Alguns são abertos por hiperpolarização e outros por uma despolarização da membrana. 2+ + b) Concentração de íons tais como: Ca e H c) Luz 2+ d) Hormônios. Diversos estudos sugerem que o canal de Ca podem ser controlados pelos 2+ níveis 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 - Nutrição Mineral de Plantas Seletividade dos canais iônicos A seletividade dos canais iônicos é determinada por: a) Tamanho molecular b) Carga elétrica da molécula c) Força do campo elétrico do canal Esta força seria controlada pela presença, pelo grau de exposição e pela ionização de grupos, alinhados ao longo da superfície interna dos canais, tais como: + Grupos ionizados: -C00-; -HP04 ; -NH3 Grupos não-ionizados: =C=0 A energia requerida para mover um íon da água para o interior do canal seria dada pela diferença entre a energia de hidratação e a energia da interação com as cargas elétricas dos canal. Os principais canais são: 2+

- Canais de Ca — - Canais de Cl + - Canais de K

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4. MOVIMENTO RADIAL DOS ÍONS Uma das características mais importantes das raízes é a sua capacidade de absorver e transportar íons do solo até o xilema e daí até a parte aérea. Nesta parte da apostila, serão considerados três aspectos do movimento radial de íons nas raízes: a) A rota percorrida pelos íons b) O(s) mecanismo(s) de transporte c) A polaridade do transporte 4.1. Rotas do movimento radial Os íons ao se moverem radialmente para o xilema podem percorrer duas rotas (ou vias): - Rota apoplástica - Rota simplástica a. Apoplasto O apoplasto consiste em um sistema interconectado de paredes celulares e espaços intercelulares e é, também conhecido como “espaço livre aparente” (Figura 3.2). Nesta porção das raízes a água e os íons inorgânicos movimentamse livremente sem nenhuma restrição. A penetração de solutos neste espaço é rápida e, não é afetada por baixas temperaturas ou por inibidores metabólicos, sendo, portanto, inteiramente passiva e não envolvendo nenhuma membrana biológica (ver item 3.1). Existem diversos métodos de avaliação do espaço livre aparente. Dentre estes, os mais usados atualmente, envolvem a utilização de substâncias coloridas ou isótopos radioativos que não atravessam significativamente a membrana. Segundo a maior parte das medições, o espaço livre aparente, constitui, em média, de 10 a 15% do volume total das raízes. Experimentos com sais coloridos ou derivados de metais pesados, como acetato de uranila e hidróxido de lantânio, têm demonstrado que o limite, no interior das raízes, à livre absorção de sais é imposto por uma camada de células em torno do estelo, chamada endoderme (Figura 4.0).

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Figura 4.0 – Rotas do movimento de íons da superfície radicular até o xilema. (A) Rota simplásmica ou simplástica; (B) Rota apoplástica. As paredes das células da endoderme apresentam uma camada de suberização fortemente aderida a membrana plasmática que impede a passagem dos íons pelas paredes celulares ou entre células para os vasos do xilema, denominada de faixa de Caspari. O efeito da quebra da integridade estrutural da endoderme na absorção de fosfato pode ser observado no Quadro 4.0.

Quadro 4.0 - Efeito da quebra da integridade estrutural da endoderme na absorção de fosfato Período de absorção (h)

Estado do Segmento

Fosfato (pmoles/s) acumulado

0 – 0,25 0–4

Intacto End. danificada Intacto End. danificada

3,4 0,3 21,0 0,3

transportado 0,3 3,5 2,5 54,0

total 3,7 3,8 23,5 54,3

No segmento danificado, o córtex das raízes foi removido ficando apenas o estelo; por observação microscópica, se constatou a quebra da integridade estrutural da endoderme.

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas b. Simplasto Denomina-se simplasma ou simplasto ao “continuum” citoplasmático. Este “continuum” é possível através de inúmeras plasmodesmas interligando as diversas células. Os detalhes de sua estrutura fina ainda não são perfeitamente conhecidos mas sabe-se que existem algumas variações. Em algumas plantas são simples poros, mas em outras são mais complexos, com o retículo endoplasmático atravessando-os de uma células para outra (Figura 3.0). O centro da plasmodesma é ocupado pelo chamado desmotúbulo que é contínuo com o retículo endoplasmático de duas células adjacentes. A membrana plasmática está em íntimo contato com as duas extremidades do desmotúbulo, dificultando a passagem de solutos maiores de uma célula para outra. Existe, portanto, duas rotas possíveis: a) Pelo ânulo citoplasmático, em torno do desmotúbulo b) Pelo desmotúbulo para as cisternas e canalículos do retículo endoplasmático. O número de plasmodesmas por célula é bastante variável com a espécie vegetal, conforme se observa no Quadro 4.1. Quadro 4.1 - Freqüência estimada de plasmodesmas em certas espécies vegetais Plasmodesmas/µm2

Planta

Tecido

Aveia

Células corticais

Milho

Células meristemáticas da ponta da raiz

14,9

Cevada

Células da endoderme (a 1 cm da ponta)

0,6

Trigo

Células da endoderme (a 5 mm da ponta)

0,6

3,6

Em geral, o maior número de plasmodesmas encontram-se naqueles locais em que há necessidade de boa comunicação entre as células. Nas raízes, especialmente, as plasmodesmas são numerosas entre as células para facilitar a absorção e o transporte de substâncias. Segundo estimativas recentes as células meristemáticas de milho estão interligadas por cerca de 1000 a 100.000 plasmodesmas. c. Movimento dos íons até o xilema Tendo-se em mente que existem duas rotas possíveis para o movimento radial, a questão agora é saber qual será seguida pelo soluto? Ou ainda, que fatores predispõem os solutos a seguirem ao longo delas? Há fortes evidências de que os íons no seu movimento radial percorrem, pelo menos em parte do percurso, rota simplásmica: 43

UEM - Nutrição Mineral de Plantas a) A absorção de íons é inibida por inibidores de síntese de proteínas como por exemplo cloranfenicol. b) A relação de fluxos (Ussing-Teorell) indica que a passagem de íons, principalmente ânions, através do cilindro cortical é ativa e, provavelmente, simplásmica . As duas rotas, entretanto, não precisam ser necessariamente exclusivas. Na realidade, acredita-se, que os íons percorram certa distância no apoplasto por ser mais fácil a rota, mas encontrando um “sítio de absorção” disponível penetram no protoplasma. Daí 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 íons precisam atravessar a membrana plasmática e penetrar no simplasma para evitar a barreira imposta pela faixa de Caspari (Figura 4.1).

Figura 4.1 – Representação diagramática das rotas possíveis ao movimento radial de íons nas raízes. (1) = Rota simplástica; (2) = Rota apoplástica.

Uma vez que a seletividade radicular é imposta pela endoderme, qual seria, então, a razão funcional das células do córtex? Embora não se saiba a resposta exata a esta questão algumas respostas especulativas já foram aventadas. Uma delas seria a do córtex, aumentar a área superficial de membranas, isto é, a área efetiva das raízes, propiciando maior contato com a solução externa e, portanto, maior absorção. 4.2. Mecanismo do transporte radial O mecanismo de transporte radial ainda não foi perfeitamente elucidado e várias hipóteses têm sido aventadas na tentativa de se encontrar uma explicação plausível para o fenômeno.

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas a. Hipótese de Crafts & Broyer Uma das primeiras hipóteses aventadas para explicar o movimento radial dos íons foi sugerida por CRAFTS & BROYER (1938). Segundo esta hipótese os íons seriam absorvidos e acumulados no citoplasma das células corticais por um processo ativo operando na membrana plasmática destas células. Os íons acumulados, então se moveriam no simplasma ao longo de um gradiente decrescente de concentração até o sistema vascular e, finalmente, “vazariam” para os vasos do xilema. Segundo eles as células mais internas das raízes, próximas dos vasos do xilema, estariam sob deficiência de oxigênio e, portanto, teriam membranas mais permeáveis permitindo o citado “vazamento”. A existência de transporte ativo operando nas membranas plasmáticas das células epidérmicas e corticais e o transporte simplásmico para o interior da raiz são, geralmente, aceitos e, até mesmo, incorporados em outras hipóteses. A segunda hipótese de Crafts & Broyer, contudo, é matéria de controvérsia. BOWLING (1973), ao medir a pressão parcial de oxigênio em raízes de girassol, encontrou apenas um ligeiro gradiente de 02 que, provavelmente, não seria suficiente para explicar o vazamento das células estelares. Além disso, foi demonstrando que a cátion-ATPases de células corticais e estelares possuíam aproximadamente a mesma atividade. b. Hipótese da bomba estelar Segundo esta hipótese as células do parênquima do xilema teriam basicamente duas funções: uma de acumular íons e outra de secretá-los nos vasos do xilema. A hipótese encontra forte apoio em vários experimentos de localização citológica. Como se observa no Quadro 4.2, a maioria das determinações, realmente, mostra acúmulo de íons nas células do parênquima xilemático. Estas determinações têm, contudo, a desvantagem de se referir a áreas e não a volumes como seria suficientemente boa para distinguir o compartimento celular que está sendo avaliado. Quadro 4.2 – Perfis de distribuição dos íons através da raiz Material vegetal Íon Milho Milho Cevada Milho Milho

S042P Ca K K

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

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

Distribuição 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

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

Método de localização Microautografia Microautografia Microautografia Micr/sonda/elet. Microeletrodo-K

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

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas Investigações da ultraestrutura mostram que estas células possuem grande quantidade de retículo endoplasmático e de mitocôndrias e, portanto, são metabolicamente ativas. Além disso, são estruturalmente muito semelhantes às células de transferência e, portanto, podem estar envolvidas na secreção ativa dos íons para os vasos do xilema. As evidências mais importantes da existência desta bomba nas células do parênquima do xilema, entretanto, resultam da utilização de inibidores diferenciais dos fluxos dos íons tanto no meio exterior para as células corticais como das células do parênquima do xilema para os vasos do xilema. Estas evidências serão abordadas na hipótese das duas bombas. c. Hipótese das duas bombas A hipótese, originalmente proposta por PITMAN (1977), admite a existência de duas bombas operando radialmente no simplasma: uma nas células corticais e outra nas células do parênquima do xilema (Figura 4.2).

Xilema Simplasma cx ec

Vacúolo cv

vc

ce xv

Figura 4.2 - Representação esquemática da hipótese das duas bombas. (Φ, bomba). Segundo esta hipótese as forças decisivas na determinação do movimento radial dos íons seriam os fluxos ativos do meio exterior para o córtex Φec (carregamento do simplasma) e das células do parênquima do xilema para os vasos do xilema, Φcx (carregamento dos vasos). As primeiras evidências desta hipótese vem de experimentos utilizando inibidores específicos dos fluxos Φec e Φcx: 1. Pode-se reduzir Φ rápida e consideravelmente pela redução da concentração do íon no meio externo. O fluxo para o xilema, Φcx, permanece por algum tempo, mostrando ser independente de Φec. 2. Ambos os fluxos, Φec e Φcx são igualmente inibidos pelo desacoplador ClCCP, sugerindo que os dois são metabolicamente dependentes de energia. 46

UEM - Nutrição Mineral de Plantas 3. Os fitormônios ácido abscísico (ABA) e benziladenina (sintético) inibem Φcx, mas não afeta Φec. 4. O inibidor de síntese de proteína, cicloheximida, reduz fortemente Φcx, mas não afetam Φec. 5. A substância p-fluorofenilalanina, análogo do aminoácido fenilalanina, inibe a síntese de proteínas e inibe seletivamente Φcx. Consubstancia esta idéia a descoberta de ATPases, igualmente ativas, nas células corticais e nas células do parênquima do xilema. Esta hipótese é atualmente a mais aceita. 4.3. Polaridade do transporte O que determina a polaridade ou a direção do transporte radicular? Ou que forças estão agindo no sistema radicular para determinar o movimento centrípeto dos íons? O fenômeno da exsudação demonstra não somente a polaridade do transporte, como, também, deixa claro que ela é independente da parte aérea e do fluxo transpiracional. O efeito de alguns fatores do ambiente sobre a taxa de exsudação sugere que o transporte polar de íons é um processo ativo: a) Existe uma relação entre a concentração de um íon na solução externa e sua concentração de exsudato. b) A taxa de exsudação é inibida por venenos metabólicos (CN-, DNP e Arsenato) e baixas temperaturas. Além disso, experimentos como os de BOWLING et al. (1966) mostram haver uma diferença de potencial elétrico entre a solução externa e o exsudato de -50 a -60 mV. Para obtenção desta informação utilizaram o dispositivo esquematizado na Figura 4.3. Eletrômetro

Exsudato Eletrodo de Referência

Figura 4.3 - Dispositivo para medição do potencial trans-radicular. Com base nas concentrações dos íons na solução externa e no exsudato concluíram que: 47

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a. Os ânion estavam se movendo para o xilema contra o gradiente de potencial eletroquímico e, portanto, ativamente. b. Os cátions, por outro lado, estavam se movendo à favor do gradiente de potencial eletroquímico e, portanto, ativamente. O fluxo polar dos íon, portanto, parece ser determinado pelo transporte ativo dos ânions, com os cátions os acompanhado para manter o balanço iônico. Trabalhos posteriores demonstraram a existência de dois componentes na formação deste potencial trans-radicular: um entre o meio exterior e as células corticais e outro entre as células do periciclo e o exsudato. Este resultado é bastante concordante com hipótese das duas bombas e com as evidências da existência de duas ATPases nestes pontos. Segundo estas idéias, portanto, fenômeno da pressão radicular e, consequentemente, a exsudação da seiva xilemática seria resultante da secreção do ânion, mediada por um transportador, para os vasos do xilema. o movimento de água se daria por osmose em conseqüência da maior concentração de solutos nos vasos do xilema. 4.3. Cinética de absorção de íons Um dos primeiros estudos de cinética de transporte de íons foi a avaliação da absorção de fosfato em cana-de-açúcar. Através de evidências deste experimento, estabeleceu-se a hipótese dos “carregadores” ou “transportadores”, que funcionavam como uma esteira rolante que movendo continuamente os íons do meio exterior para dentro das raízes. Mais tarde a idéia evoluiu para um sistema constituído de subunidades, componentes das membranas, que complexariam através da membrana e, então, os liberariam no citoplasma (Figura 4.4). Solução externa Membrana I

T

T

TI

T

Citoplasma

I

Figura 4.4 – Representação esquemática do funcionamento de um transportador de íons. O conceito de transportadores, contudo, somente foi aceito depois de ser estudado por EPSTEIN & HAGEN (1952), os quais aplicaram os princípios de cinética enzimática de absorção iônica. Da mesma maneira que as enzimas transformam o substrato, o transportador formaria um complexo transitório intermediário com o íon da solução externa e, por meio de uma mudança de 48

UEM - Nutrição Mineral de Plantas configuração ou um movimento de rotação dentro da bicamada lipídica, o transportaria através da membrana (Figura 4.5). E I

+

S

+ T

Sol. externa

ES TI Membrana

E T

+ P + I

Citoplasma

Figura 4.5 – Reações comparativas entre o transporte de íons e a ação enzimática. A semelhança das enzimas, a velocidade de absorção do íon pode ser obtido, também, pela equação de Michaelis-Menten: V = VmaxT onde: V= [I]= Vmax = KM =

[I ] [I ] + K M

velocidade de absorção do íon concentração do íon na solução externa velocidade máxima de absorção constante de Michaelis-Menten ( concentração necessária para se atingir metada de Vmax

A velocidade de absorção de íons em soluções de baixas concentração (0 a 0,2 mM) segue, quase que universalmente, a cinética simples de MichaelisMenten (Figura 4.6).

Velocidade de absorção - V

Vmax

1/2 Vmax

Km

0,1

0,2

Concentração do íon (mM)

Figura 4.6 – Cinética de absorção iônica. 49

UEM - Nutrição Mineral de Plantas O valor de Vmax pode ser estimado pela extrapolação da curva a uma concentração iônica infinitamente elevada. Como o Km é a concentração do íon na solução externa em que as raízes atingem a metade da velocidade máxima, a partir do valor de Vmax faz-se a estimativa gráfica do Km, conforme indicado na Figura 4.6. É uma tarefa difícil que resulta, quase sempre, numa estimativa imprecisa destas duas constantes. Estimativas mais precisas podem ser obtidas por outros métodos gráficos. O principal e mais utilizado é o gráfico de Lineweaver-Burk (Figura 4.7). Neste caso toma-se o inverso da equação de Michaelis – Menten: 1 1 1 K = + M • V Vmax Vmax [ I ] Assim, da hipérbole retangular da isoterma de absorção (Figura 4.6) consegue-se uma linha reta quando for plotado um gráfico relacionando-se 1/V com 1/[íon] (Figura 4.7).

I/V I/V Inclinação Inclinação == Km/Vm Km/Vm Intercepto Intercepto == -1/Km -1/Km Intercepto Intercepto 00

1/ 1/ [[ II ]]

Figura 4.7 – Gráfico de duplo recíproco (Lineweaver-Burk) de absorção de íons:: 1/V é posto em gráfico em função de 1/[ I ]. A inclinação é KM/Vmax , o intercepto na vertical é 1/Vmax, e o intercepto no eixo horizontal é – 1/KM. Desta forma é possível calcular com facilidade as constantes cinéticas (Km, Vmax, etc) que se quer estudar. Para fins práticos, pode-se selecionar cultivares que possuem maior eficiência de absorção de íons, ou seja, menor Km e maior Vmax,. O estudo da cinética de absorção de íons não só é importante para a seleção de cultivares mais eficientes na absorção e utilização de determinados íons, como também no metabolismo da planta. Existem programas (software) como o de RUIZ (1985), específicos para se calcular estas constantes cinéticas, com extrema facilidade. 50

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5. MOVIMENTO DE MINERAIS NO XILEMA O transporte de água e de minerais das raízes para a parte aérea ocorre predominantemente nos vasos do xilema. A importância deste conduto no movimento de água e minerais já tinha sido enfatizada por HALES em 1969. Ele constatou a continuidade destes vasos nas raízes, caules e folhas e foi o primeiro a sugerir uma certa relação entre a transpiração da planta e o movimento ascendente da seiva. Experimentos posteriores usando substâncias coloridas ou isótopos radioativos confirmam suas idéias. 5.1. Evidências da participação do xilema na ascensão dos minerais a. Experimentos de anelagem O transporte de minerais para a parte é inibido pela remoção de pequeno segmento de xilema, mas apenas parcialmente inibido pela remoção do floema. Experimentos de anelagem, isto é, remoção da casca e, consequentemente remoção do floema, resultaram em menor teor de cinza e de nitrogênio e menor crescimento (CURTIS, 1935), sugerindo para os autores que o floema era o condutor de minerais para a parte aérea. Mais tarde, entretanto, ficou demonstrado que o efeito da anelagem tinha sido indireto. Na realidade, a anelagem tinha bloqueado a transferência de fotoassimilados para as raízes onde seriam oxidados e transformados de energia necessária para a absorção ativa de minerais. b. Experimentos com radioisótopos STOUT & HOAGLAND (1939) foram os primeiros a utilizarem isótopos radioativos para verificar a importância do xilema na ascensão dos minerais. Eles, cuidadosamente, inseriram uma tira de papel impermeável 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 - Nutrição Mineral de Plantas Após 5 horas de exposição o caule foi segmentado e a quantidade de 42K+ determinada na casca e na madeira. Os resultados são mostrados no Quadro 5.0. Quadro 5.0 - Radioatividade de segmentos de casca e de madeira obtidos de plantas expostas ou não a 42K+ Parte do caule

SB S1 S2 S3 S4 S5 S6 SA

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

Como se observa, o transporte de 42K+ ocorre predominantemente pelo xilema quando se bloqueia a transferência lateral deste íon em direção ao floema. Na planta intacta, ao contrário, ocorre intensa transferência lateral e o 42K+ aparece também na floema, via comumente utilizada para promover a circulação deste íon. Esta contínua transferência do xilema para os tecidos adjacentes, à medida que a seiva ascende para a parte aérea pode, também, ser inferida a partir dos dados de KLEPPER & KAUFMANN (1966). Eles mediram o potencial osmótico dos exsudatos colhidos do caule e das folhas em diferentes locais da planta e líquidos de gutação. Observou-se que o potencial osmótico decresce à medida que a seiva xilemática é colocada em partes mais altas da planta, isto é, a concentração de solutos na seiva decresce à medida que ela se desloca para a parte aérea. O elevado decréscimo no potencial osmótico observado no líquido de gutação comparado ao seu valor no pecíolo indica haver intensa utilização de solutos pelas células do limbo foliar. c. Composição da seiva xilemática A seiva xilemática coletada por vários métodos (exsudação de caules decapitados, líquidos de gutação, etc) apresenta de 0,1 a 0,4% de sólidos, dos quais aproximadamente um terço é constituído de materiais inorgânicos e o restante substâncias orgânicas tais como: açúcares, aminoácidos, etc.

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas Quadro 5.1 – Composição mineral da seiva xilemática e floemática coletada de Nicotiana glauca1 Floema2 Xilema3 Substâncias µg / ml Matéria seca Sacarose Açúcares não-redutores Amino compostos Nitrato Potássio Amônia Fósforo Cloreto Enxofre Cálcio Magnésio Sódio Ferro Zinco Manganês Cobre

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

1

HOCKING, 1980. pH no floema: 7,8-8,0 3 pH no xilema: 5,6-5,9 4 -1 mg l 5 Não detectado 2

Como se observa no Quadro 5.1, o xilema apresenta os elementos minerais essenciais, e outros não mencionados, que são absorvidos pelo sistema radicular e transportados para a parte aérea. O floema, por outro lado, apesar de não ser a rota preferencial de transporte para a parte aérea, contém quantidade substancialmente elevada da maioria dos elementos minerais resultado de transferências laterais, conforme já enfatizado. O floema, em função de permitir fluxos bidirecionais, pode ser utilizado, portanto, para redistribuir os elementos minerais. 5.2. Formas de transporte A maioria dos elementos minerais essenciais é transportado no xilema na forma de íons inorgânicos: a) cátions: K+, Ca++, Mg++, Cu++, Zn++ e Mn++ b) ânions: Cl- , S04=, H2P04-, H3B03 e Mo04= O nitrogênio, porém, pode estar sob diferentes formas dependendo da espécie vegetal, da fonte externa e do metabolismo radicular. As principais formas 53

UEM - Nutrição Mineral de Plantas de nitrogênio encontradas na seiva xilemática de plantas de soja noduladas ou não são mostradas no Quadro 5.2. Quadro 5.2 – Principais formas de nitrogênio na seiva xilemática de plantas de soja noduladas e não-noduladas

Formas do Nitrogênio

Condições das plantas Noduladas Não-noduladas % do N-total

UREÍDIOS Ácido alantóico Alantoína Uréia

78 (53)2 (20) (23)

6

AMINOÁCIDOS Asparagina Glutamina Ácido aspártico Arginina

20 (53)3 (17) ( 6) ( 6)

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

NITRATO

58

1

McCLURE & ISRAEL, 1979. % do N-ureídico 3 % do N-aminoacítico total 2

O enxofre, também, depende da presença de sistemas de redução/assimilação nas raízes. Pode aparecer na seiva na forma de metionina, cisteína, mas quase sempre em baixíssimas concentrações. 5.3. Mecanismos da ascensão da seiva xilemática A. Influência da transpiração Está relativamente bem estabelecido que os sais minerais, na sua maioria, são arrastados segundo um fluxo em massa juntamente com a água que se move no xilema em direção às folhas. Acredita-se que o fator mais importante a determinar este fluxo de água para a parte aérea, seja a transpiração foliar. A transpiração é considerada por alguns autores como “um mal necessário” cuja função principal seria promover a dissipação de calor produzido pelo metabolismo das células vegetais. Durante a transpiração desenvolve-se nas folhas um gradiente negativo de pressão hidrostática que se transmite as raízes, passando pelo xilema do pecíolo, caule e raízes. A água é, praticamente, “tracionada” do solo para a parte aérea por esta força em um fluxo xilemático que pode ser calculado pela fórmula de HagenPoiseuille: 54

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r2 J = ( ) ∆P 8η onde: J: fluxo do líquido, em cm s-1 r: raio do vaso do xilema, em cm η: viscosidade do líquido, em dina s-1 cm-2 ∆P: diferença de pressão hidrostática, em bares cm-2 Considerando que a diferença de pressão hidrostática varia de 0,1 a 0,5 bares m-1 e que o raio médio dos vasos no xilema é de 20 µm, o fluxo de líquido poderia variar de 0,05 a 0,25 cm s-1 admitindo-se uma viscosidade da seiva xilemática de 0,010 dina s-1 cm-2. Estimativas feitas por SLATYER (1967) para o fluxo da seiva xilemática em plantas transpirando caem dentro desta faixa. Os principais fatores que afetam a transpiração e, portanto, a ascensão da seiva são: a) Idade da planta: As plântulas possuem pequena área foliar (baixa transpiração), consequentemente a absorção de água e o transporte de solutos do xilema para a parte aérea é determinado principalmente pela pressão radicular. Com o crescimento da planta diminui a importância da pressão radicular e aumenta a da transpiração. b) Hora do dia: 90% da transpiração foliar ocorre via estômatos. Durante o dia, devido a alta transpiração e consequentemente a formação do gradiente de potencial hídrico, há um aumento na absorção e transporte dos elementos minerais mais do que a noite quando há baixa temperatura e alta umidade relativa do ar. c) Concentração externa de íons: é bem conhecido que o aumento na concentração dos íons no meio externo (meio de nutrição), pode aumentar o efeito da taxa da transpiração na absorção e transporte de elementos minerais. A contribuição depende também da isoterma de absorção com o aumento da concentração externa. d) Tipo do elemento mineral: a absorção segue uma seqüência definida. Varia pouco para o K+, N03- e fosfato mas é significativo para o Ca++ e o Na+. Como regra geral, a transpiração aumenta a absorção e transporte de moléculas não carregadas em maior proporção do que íons. Há intensa relação entre a taxa de transpiração e absorção de certos herbicidas. A absorção e transporte na forma de molécula tem muito maior importância nos casos do ácido bórico e silício.

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UEM - Nutrição Mineral de Plantas B. Influência da gutação Como estudado anteriormente, há duas bombas trabalhando em série, no sistema radicular que permitem a ascensão dos elementos minerais para a parte aérea, que pode ser demonstrado quando a transpiração é baixa (principalmente a noite). Este mecanismo é importante especialmente em plantas de pequeno porte, mais precisamente para plântulas. C. Influência das trocas iônicas nos vasos do xilema As paredes dos vasos possuem cargas elétricas negativas fixas, as quais, podem se associar vários cátions e, à medida que eles vão sendo transportados longitudinalmente para a parte aérea podem ocorrer trocas iônicas que dependem basicamente da: a) concentração dos cátions no fluido xilemático b) afinidade dos câtions pelos sítios negativos da parede do xilema. A afinidade cresce com a valência do cátion: Monovalentes < divalentes < trivalentes Os monovalentes ascendem para a parte aérea normalmente. Já os divalentes como os trivalentes sobem através de uma série de trocas iônicas. O Fe+++, Cu++ e o Cd++ se associam a aminoácidos ou ácidos orgânicos passando livres pelos sítios de adsorção. O ferro é transportado normalmente complexado com citrato. D. Transferência lateral de íons Os feixes vasculares, floema e xilema estão separados por poucas células e, conforme já comentado, ocorre intensa transferência de minerais entre eles através das chamadas CÉLULAS DE TRANSFERÊNCIA (Figuras 5.1 e 5.2). São células parenquimáticas que sofreram um processo de deposição de celulose e outros materiais formando uma projeção em direção ao citoplasma, criando invaginações ou dobras na membrana plasmática. Assim, há um aumento na área superficial da membrana plasmática. As organelas, especialmente as mitocôndrias e retículo endoplasmático, nunca ficam muito distanciados da membrana plasmática. Os principais tipos conforme a ilustração acima são: a) Células de transferência do xilema – podem ser encontradas nas raízes envolvidas na secreção dos íons para os vasos do xilema ou nas folhas envolvidas na absorção ativa dos minerais descarregados no xilema. b) Células de transferência tipo “A“ – estas células apresentam invaginações tanto do lado do xilema como do floema, parecem adaptadas a promover a transferência lateral entre estes condutos. 56

UEM - Nutrição Mineral de Plantas c) Células de transferência do tipo “B” – estas células apresentam invaginações apenas no lado do floema e parecem estar ligados ao descarregamento de substratos ou fotoassimilados destes vasos.

FIGURA 5.1 - Diagrama dos tipos de Células de Transferência. A transferência de minerais do xilema para o floema (Figura 5.2) é de fundamental importância, uma vez que o transporte no xilema é direcional, principalmente para os sítios de maior transpiração, que nem sempre são aqueles de maior demanda nutricional. Isto é verdadeiro especialmente para o cálcio uma vez que este elemento possui baixa mobilidade na planta.

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

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6. DESCARREGAMENTO DO XILEMA NAS FOLHAS Quando a seiva alcança os terminais dos vasos e traqueídeos xilemáticos nas minúsculas nervuras foliares, a água e sais minerais são descarregados no apoplasto e daí podem se mover através da parede celular e espaços intercelulares para sítios de absorção ou podem ser redistribuídos, lixiviados ou secretados. Algumas plantas possuem uma camada de células de parênquima e\ou esclerênquima em torno do sistema vascular, à semelhança da endoderme nas raízes, chamada bainha do feixe. Na Figura 6.0 é apresentado um modelo de descarregamento do xilema nas células das folhas. Observa-se que há um envolvimento novamente da bomba H+ATPase que produz o gradiente (bombeando H+ para o apoplasto), eletroquímico favorável para a entrada de cátions em uniporte e dos ânions e aminoácidos em simporte com os prótons bombeados para o apoplasto.

Figura 6.0 – Modelo de descarregamento do xilema nas células das folhas. Anânions ; As-, aminoácidos; Cat+, cátions. (MARSHNER,1995).

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7. REDISTRIBUIÇÃO DOS ÍONS Como pode ser observado nos dados do Quadro 5.1, o floema possui um pH alto (7 a 8), e contém alta concentração de solutos, em média 15 a 25 % da matéria seca. O principal componente presente no floema é a sacarose, em torno de 90% dos sólidos. Dentre os solutos orgânicos, os aminoácidos estão presentes em maior concentração (glutamina e asparagina). Os íons amônia e nitrato são encontrados, normalmente em baixas concentrações. É comum encontra-se no floema grande quantidade de malato e citrato. Dentre os minerais, o K possui a maior concentração seguido do P, Mg e S. O S ocorre em ambas as formas; reduzidas (glutationa, metionina>cisteína) ou como sulfato (S042-). Observa-se também que o Cl e o Na podem estar presentes em alta concentração, embora esteja estritamente relacionado com a concentração externa. Um dado importante a ser observado, e a baixa concentração de Ca presente no floema, comprovando, de fato, a baixa redistribuição deste elemento. Os nutrientes minerais móveis, inclusive N reduzido podem ser transportados da parte aérea para as raízes, mesmo quando estes nutrientes estão sendo supridos às raízes. Assim, as raízes podem atuar como fonte e dreno dos nutrientes minerais. O grau de mobilidade depende em grande parte, das mobilidades destes íons no floema (Quadro 7.0). Entretanto deve-se sempre ressaltar que o grau de redistribuição também depende do “status” nutricional do elemento em questão. Quadro 7.0 – Mobilidade dos principais elementos minerais no floema ALTA MOBILIDADE Potássio Magnésio Enxofre Nitrogênio (N-amino) Cloro Fósforo Sódio

MOBILIDADE INTERMEDIÁRIA Ferro Zinco Cobre Boro Molibdênio

BAIXA MOBILIDADE Cácio Manganês

Fonte: MASCHNER, 1997.

Os sintomas de deficiência dos elementos de mobilidade alta e intermediária, vão aparecer obviamente em regiões mais velhas da planta. Um exemplo clássico é a deficiência de N na planta onde os sintomas são observados pela clorose generalizada das folhas mais velhas da planta. Já, os nutrientes 59

UEM - Nutrição Mineral de Plantas minerais de baixa mobilidade, acarretam deficiência primeiramente nas partes novas, como por exemplo, folhas e frutos jovens bem como nos meristemas apicais e laterais. Isto se deve também a baixa área superficial da transpiração que é o mecanismo mais importante para suprir a deficiência destes elementos nestas partes da planta.

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