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Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro Instituto de Ciências Biológicas e da Saúde Departamento de Ciências Fisiológicas Disciplina: IB 315 - Fisiologia Vegetal Aula: Relações hídricas: O contínuo Solo-Planta-Atmosfera ROTEIRO DA AULA 1. CONCEITO DO CONTÍNUO SOLO-PLANTA-ATMOSFERA (SPAC) 2. MOVIMENTAÇÃO DE ÁGUA NO SOLO 2.1. COMPONENTES DO POTENCIAL HÍDRICO NO SOLO 3. MOVIMENTO DE ÁGUA NA PLANTA 3.1. MOVIMENTO DE ÁGUA DAS RAÍZES ATÉ O XILEMA 3.2. ASCENSÃO DE ÁGUA NAS PLANTAS 3.2.1. TEORIA DE DIXON 3.2.2. PRESSÃO POSITIVA DA RAÍZ 4. MOVIMENTO DE ÁGUA PARA A ATMOSFERA Equipe: Profs. Drs. Leonardo Oliveira Médici Silvia Aparecida Martim Questões Propostas Bloco I 1) Por que é possível a manutenção do contínuo Solo-Planta-Atmosfera? 2) Discorra sobre os componentes do potencial hídrico que comandam o movimento de água entre o solo e a raíz. 3) Discorra sobre os componentes do potencial hídrico que comandam o movimento de água entre duas células adjacentes em um tecido vivo. Bloco II 1) Em que situações o potencial osmótico influencia no movimento de água? Explique. 2) Quais as propriedades da água são fundamentais para que ocorra a ascensão pelo xilema? 3) O que é a Teoria da Coesão-Tensão e qual sua relação com a movimentação da água nas plantas? Bloco III 1) Por que algumas plantas conseguem ascender a água no xilema sem interferência da transpiração? 2) Como ocorre o embolismo e quais as alternativas que as plantas possuem para evitar maiores perdas no transporte xilemático? 3) Qual a relação da abertura estomática com a movimentação de água das folhas para a atmosfera? 1. Conceito do contínuo solo-planta-atmosfera (SPAC) A movimentação da água nas plantas ocorre de forma espontânea e em função do potencial hídrico. Uma única árvore de cerca de 15 m de altura pode perder cerca de 200 litros de água em uma única hora. Sendo assim, em torno de 97% da água que é absorvida é perdida na transpiração, e apenas 3% permanece na planta, sendo 2% direcionada aos processos do crescimento e 1% consumida em reações metabólicas. O entendimento desta movimentação é fundamental para o trabalho com plantas e será o foco desta aula. O contínuo solo-planta-atmosfera relaciona-se à água que é absorvida da solução do solo pelas raízes, translocada até às folhas e perdida para atmosfera pela transpiração, sempre obedecendo a uma ordem decrescente de potencial hídrico (Figura 1). Observe atentamente a legenda da Figura 1 a qual evidencia as principais forças que propulsionam a movimentação de água no contínuo solo-planta-atmosfera. O conceito do SPAC considera que os movimentos de água no sistema solo- planta- atmosfera são melhor compreendidos como sendo processos interligados e interdependentes. A absorção de água pelas raízes, por exemplo, pode ser influenciada pela transpiração nas folhas e vice-versa. As plantas geralmente apresentam valores de potencial hídrico entre -3 a -10 atm. Quando se observa os valores de potencial hídrico no SPAC, tem-se a seguinte padronização: Nos solos: os valores de potenciais hídricos são sempre os maiores e variam de - 0,03 Mpa em solos argilosos a -0,01 MPa em solos arenosos, na capacidade de campo. Nas plantas: os valores de potencial hídrico são menores que o do solo e maiores que o da atmosfera e variam de -0,3 a -1,0 MPa. Na atmosfera: os valores de potencial hídrico são sempre os menores e variam de -2,0 a -100 MPa. Figura 1. Principais forças propulsoras do fluxo de água do solo através da planta para a atmosfera: diferenças na concentração de vapor de água (Cwv) entre a folha e o ar são responsáveis pela difusão de vapor de água da folha para o ar; diferenças no potencial de pressão (P) governam o fluxo de massa de água pelos condutos xilemáticos; diferenças no potencial hídrico (H) são responsáveis pelo movimento de água através de células vivas na raíz (Taiz et al., 2017). O foco da nossa disciplina é a planta, para tanto, abordaremos com mais detalhes o movimento da água a partir da absorção pelas raízes, passando pela sua ascensão nas plantas e a perda para a atmosfera pela transpiração. Para tanto, os que se interessarem em conhecer mais detalhadamente sobre a movimentação de água nos solos, recomendamos a leitura do capítulo 1 do livro de Fisiologia Vegetal de Gilberto Barbante Kerbauy. 2.1. Componentes do potencial hídrico no solo No solo a água se movimenta pela variação de dois componentes do potencial hídrico: O potencial de pressão e o potencial gravitacional. Solos úmidos apresentam valor de P próximo de zero. Conforme a umidade do solo vai diminuindo (menos água disponível) o potencial de pressão torna-se mais negativo. A pressão no solo inundando é positiva e pode ser medida pela altura da coluna de água acima do ponto considerado. Quando o solo não está saturado de água, a pressão será negativa e é chamada de Potencial matricial ou tensão da água. É importante destacar que o potencial de pressão negativo dos solos está atrelado às propriedades físicas da água, ou seja: a água possui uma alta tensão superficial a qual tenderá a minimizar as interfaces ar-água; contudo, a força de adesão fará com que a água tenda a se prender nas partículas do solo (Figura 2). Potenciais hídricos de solo com valores de -1,5 Mpa considera-se que o solo está em ponto de murcha permanente. Figura 2. Os pelos da raíz fazem contato íntimo com as partículas do solo e amplificam bastante a área de superfície utilizada para a absorção de água pela planta. O solo é uma mistura de partículas (areia:argila:silte e material orgânico), água, solutos dissolvidos e ar. A água é adsorvida às partículas do solo. À medida que a água é absorvida pela planta, a solução do solo recua para pequenos compartimentos, canais e fissuras entre as partículas do solo. Nas interfaces ar-água, esse recuo faz a superfície da solução do solo desenvolver um menisco côncavo (interfaces curvas entre ar e água, marcadas na figura por setas), desenvolvendo uma tensão (pressão negativa) na solução por meio da tensão superficial. Esse processo é a capilaridade que ocorre nos solos. À medida que mais água é removida da superfície do solo a curvatura dos meniscos ar-água aumenta, gerando tensões maiores (pressões mais negativas). (Taiz et al., 2017). Por que para a movimentação da água no solo o potencial osmótico não tem relevância? O potencial osmótico só influencia o movimento de água entre dois pontos quando os solutos estão impedidos de se movimentar. Caso contrário, os solutos é que irão se movimentar. Quando consideramos dois pontos no solo ou no floema das plantas, os solutos não influenciam o movimento da água. Em ambos os casos, o potencial osmótico não influenciará o movimento da água, pois, não há uma barreira ao movimento dos íons, como por exemplo, uma membrana plasmática. Todavia, quando consideramos dois pontos separados por uma membrana, tal como um ponto no solo e outro dentro de uma célula viva da raiz, o potencial osmótico é crucial para o movimento de água. Uma planta em solo salino poderá perder água para o solo, mesmo que este esteja inundado, desde que o potencial osmótico do mesmo esteja mais negativo que o potencial hídrico da raiz. 3. Movimento de água na planta 3.1 Movimento de água das raízes até o xilema Para que a água se movimente na planta, em primeira instância é necessário que ocorra asua entrada por intermédio das raízes. Logo, o primeiro passo é absorção de água ocorrida nos pelos radiculares ou células da epiderme. Contudo, o contato da superfície da raiz com a superfície do solo proporciona a área de superfície necessária para a entrada de água nas plantas. Essa área de superfície, obviamente é incrementada com o maior crescimento das raízes e dos pelos radiculares. A penetração de água é maior na região próxima ao ápice, pois nas regiões mais maduras das raízes há uma menor permeabilidade em função de uma deposição de material hidrofóbico que ocorre nas paredes da camada epidérmica (Figura 3). Em seguida, a água deverá percorrer em movimentos radiais todo o córtex e chegar aos elementos do xilema que estão no centro do estelo. Na raiz, a água pode movimentar-se por três possíveis vias, conforme descrito abaixo e esquematizado na Figura 4: 1) Via apoplástica: a água percorre um caminho contínuo que passa pelas paredes celulares e espaços intercelulares não atravessando nenhuma membrana. Esse percurso apoplástico somente acontece até às estrias de Caspary, e a partir daí, obrigatoriamente tem que passar pela via transmembrana. 2) Via simplástica: a água percorre os espaços ocupados por citoplasma de células conectadas por plasmodesmas (simplasto). 3) Via trasnsmembrana: a água percorre o caminho indo de uma célula à outra atravessando as suas membranas Figura 3. (A) Taxa de absorção de água por segmentos curtos (3-5 mm) em várias posições ao longo de uma raíz intacta de abóbora (Curcubita pepo). (B) Diagrama de absorção de água no qual a superfície total da raiz é igualmente permeável ou é impermeável nas regiões mais velhas devido à deposição de suberina, um polímero hidrofóbico (C). Quando as superfícies da raiz são igualmente permeáveis, a maior parte da água entra próximo ao topo do sistema de raízes, com as regiões mais distais sendo hidraulicamente isoladas à medida que a sucção no xilema é atenuada devido ao influxo de água. A diminuição da permeabilidade das regiões mais velhas da raiz permite que as tensões no xilema se estendam além no sistema de raízes, possibilitando a absorção de água por suas regiões distais. (Taiz et al., 2017). Figura 4. Rota de absorção de água pela raiz. Através do parênquima cortical, a água pode se movimentar pelas rotas apoplástica, transmembrana e simplástica. Na rota simplástica, a água flui entre as células pelos palsmodesmos, sem atravessar a membrana plasmática. Na rota transmembrana, a água move-se através das membranas plasmáticas, co uma curta permanência no espaço da parede celular. Na endoderme a rota apoplástica é bloqueada pela estria de caspary, Observe que, embora elas sejam representadas como três rotas distintas, na realidade as moléculas de água se movem entre o simplasto e o apoplasto direcionadas por gradientes no potencial hídrico e resistências hidráulicas. (Taiz et al., 2017). 3.2. Ascensão de água nas plantas Após sua absorção pelas raízes e sua chegada ao xilema, a água continuará sua movimentação pela planta até chegar às folhas e por fim na atmosfera. A principal e universal forma de subida da água nas plantas superiores é explicada pela teoria de Dixon, ou teoria da Coesão, ou ainda Teoria da Coesão-Tensão. O xilema é um tecido vascular especializado no transporte de água, sais minerais e algumas moléculas orgânicas. De uma forma diferente ao movimento radial que a água tem que percorrer nas células das raízes aonde há maiores resistências, o fluxo de água no xilema é facilitado pela ausência de citoplasma e membranas, e pela presença das placas de perfuração dos elementos de vaso. O movimento de água no xilema é comandado pelo fluxo de massa gerado pelo gradiente de potencial de pressão entre as extremidades do tecido condutor. A movimentação de água pelo xilema é a principal rota de transporte dessa molécula para uma grande maioria de plantas, perfazendo um total de 99,5% em uma planta de 1 m de altura, e uma porcentagem ainda maior em plantas arbóreas de porte alto. Uma das primeiras grandes dúvidas sobre a ascensão de água no xilema era se o processo era meramente físico ou dependia de forças vitais, biológicas. Contudo, através de experimentações foi comprovado que mesmo uma planta morta era capaz de transpirar e transportar água pelo xilema, provando assim que o processo é meramente físico. Para maiores informações sobre os procedimentos deste experimento acesse o seguinte link: http://www.google.com.br/imgres?imgurl=http://4e.plantphys.net/images/ch04/we0401a _s.png&imgrefurl=http://4e.plantphys.net/article.php%3Fch%3D%26id%3D98&usg=_ _chAJvxEH67fXgieXbmuaCSxMRfw=&h=227&w=400&sz=11&hl=pt- BR&start=77&zoom=1&tbnid=hyYdaTbhvEAR7M:&tbnh=106&tbnw=186&prev=/im ages%3Fq%3Dcohesion%2Btheory%2Bxylem%2Bcapilarity%26um%3D1%26hl%3D pt-BR%26sa%3DN%26rlz%3D1T4ADRA_pt- BRBR388BR388%26biw%3D1291%26bih%3D453%26tbs%3Disch:10%2C2028&um =1&itbs=1&iact=hc&vpx=854&vpy=120&dur=218&hovh=169&hovw=298&tx=95&t y=84&ei=2GqFTMaPM8H7lwekpKjyDg&oei=jmmFTPChE8H78AaW5KVW&esq=2 8&page=7&ndsp=12&ved=1t:429,r:4,s:77&biw=1291&bih=453 3.2.1. Teoria de Dixon O sol aquece o ar, reduzindo a umidade relativa e o potencial hídrico na atmosfera; os estômatos se abrem e o vapor de água sai por eles (transpiração); a água líquida da folha evapora e sai da folha; com a evaporação, os meniscos nas paredes das células vegetais da folha vão se retraindo para as partes mais finas dos poros destas paredes e quanto menor é o raio do capilar, mas fortemente a água é retida, e esses capilares retiram água de dentro do xilemacausando aumento da tensão dentro do xilema; esta tensão puxa a água do xilema para cima; a coluna da água no xilema suporta esta tração por causa das forças de coesão e adesão; a tensão é transferida à raiz e juntamente com a osmose aumenta a tendência de entrada de água nas raízes. Observe a Figura 5 para melhor compreensão deste processo. Figura 5. Introdução da Teoria da Coesão Tensão, originalmente proposta por Dixon e Joly em 1894. Acesso no site: http://www.tutorvista.com/search/capillary-rise-surface-tension. A compreensão de alguns detalhes dessa teoria é extremamente relevante para solidificação do entendimento do processo. Aqui é de suma importância que as propriedades da água como adesão, coesão e tensão superficial estejam bem claras e compreendidas. Outra informação relevante que se buscava compreender sobre a ascensão de água, era sobre o início do processo, ou seja, se a ascensão se inicia pela base da planta ou pelas folhas. Esta informação foi obtida por métodos tal como o do pulso de calor, técnica na qual um pequeno aquecedor é inserido no caule e dois termômetros são instalados abaixo e acima do aquecedor. Desta forma se pode medir a velocidade do fluxo no xilema, pois quanto maior for esta velocidade, mais rapidamente o calor aplicado será percebido pelo termômetro acima do aquecedor. Usando a técnica do pulso de calor, por exemplo, em uma árvore, ao mesmo tempo na base do caule e nos ramos, pode-se verificar que o movimento no xilema se inicia nos ramos e só alguns momentos depois aparece na base da planta. Conforme já foi descrito acima, as tensões que são geradas no xilema e são necessárias para puxar a água do solo são decorrentes da transpiração foliar. Falando um pouco mais detalhadamente, a evaporação da água da superfície das paredes celulares dentro das folhas ocasiona uma diminuição do potencial matricial gerando assim o gradiente de potencial hídrico que proporcionaum fluxo de água em direção aos sítios de evaporação (Figura 6). Com a intensificação da evaporação da água da parede, a interface ar-água, ou seja, os meniscos, ficam cada vez mais curvos dentro dos capilares mais finos e a tensão superficial nessa região forma progressivamente uma pressão mais negativa, que tende a deslocar cada vez mais líquido para essa região. Figura 6. A força propulsora do movimento de água nas plantas origina-se nas folhas. Uma hipótese de como isso ocorre é que, à medida em que a água evapora das superfícies das células do mesofilo, a água retrai-se mais profundamente nos interstícios da parede celular. Como a celulose hidrofílica (ângulo de contato =0º), a força resultante da tensão superficial causa uma pressão negativa na fase líquida. À medida que o raio da curvatura dessas interfaces ar-água decresce, a pressão hidrostática torna-se mais negativa. (Taiz et al,. 2017). A água no xilema contém gases como o CO2, O2 e N, os quais ficam sujeitos a se separarem da solução quando a coluna de água está sob tensão. Além disso, com o aumento da tensão há uma tendência do ar ser puxado pelos microporos das paredes celulares. Esses dois fatos proporcionaram a formação de bolhas microscópicas nos elementos traqueais do xilema que é denominado de cavitação, que pode coalescer e expandir rapidamente ocasionando a embolia (obstrução do conduto do xilema). Quando ocorre cavitação, a coluna de água do xilema pode se romper, impedindo que aquele vaso tracione a coluna abaixo dele. Em princípio, uma bolha de gás pode se expandir e ocupar todo o sistema de condutos do transporte de água presente no xilema, uma vez que estes são interconectados. Porém, a expansão de bolhas não alcança grandes distâncias, pois as bolhas não ultrapassam facilmente os diminutos poros das membranas de pontoação (Figura 7). As plantas evoluíram com o risco da cavitação e algumas formas de minimizá-lo ou repará-lo surgiram e foram selecionadas. A forma mais simples de evitar ocorrência de cavitação é fechar os estômatos para que a tensão não aumente nos xilemas. Outra questão relevante é o fato de que uma bolha de gás não irá parar por completo o fluxo de água no xilema devido a interconexão que existe entre os capilares xilemáticos. Ou seja, um sistema de poros laterais entre as células do xilema permite que a água faça um contorno pela célula que sofreu embolismo (Figura 7). Novos xilemas podem ser gerados para substituir os que foram inutilizados pela cavitação. A pressão positiva da raiz também pode dissolver as bolhas. Figura 7. Vasos (à esquerda) e traqueídes à direita formam uma série de rotas paralelas e interconectadas para o movimento de água. A cavitação bloqueia o movimento de água por causa da formação de condutos cheios de ar (embolizados). Uma vez que condutos do xilema são interconectados por aberturas (“pontoações areoladas”) em suas paredes secundárias espessas, a água pode desviar do vaso bloqueado, movendo-se para condutos adjacentes, Os poros muito pequenos nas membranas de pontoação ajuda a impedir que o embolismos se espalhem entre os condutos do xilema. Assim, no diagrama da direita, o gás está contido dentro de uma única traqueíde cavitada. No diagrama da esquerda, o gás preencheu todo o vaso cavitado, aqui mostrado como composto por três elementos de vaso, separados por placas de perfuração escarlariformes (parecendo os degraus de uma escada). Na natureza, os vasos podem ser muito longos (até vários metros de comprimento) compostos por vários elementos de vasos. Nota: para melhor exemplificar cavitação leia este pequeno texto abaixo: Quando uma solução é submetida à redução da pressão, os gases dissolvidos formam bolhas e isto se chama cavitação. O caso mais corriqueiro é abrir uma garrafa de água mineral com gás e ver as bolhas se formando quando a pressão diminui. Os mergulhadores podem passar por problemas se subirem muito rápido à superfície do mar, pois a pressão vai se reduzindo rapidamente e se formam bolhas na corrente sanguínea. 3.2.2. Pressão positiva da raíz Nas plantas que transpiram rapidamente, a contribuição do potencial osmótico para a seiva do xilema é muito pequena. Em contrapartida, quando a velocidade da transpiração é muito baixa, a contribuição do é bastante significante, sendo responsável por um fenômeno conhecido como pressão positiva da raiz. Em condições de elevado potencial hídrico do solo e da atmosfera, no final do dia e até o amanhecer, é possível que a ascensão de água pelo xilema em algumas plantas ocorra por uma pressão da raiz. Nessas situações, a raiz atua como um osmômetro concentrando os sais que foram absorvidos dentro do cilindro central, os quais são impedidos de sair pelas estrias de caspary. Os sais contribuirão para a diminuição dos potenciais, osmótico () e hídrico (H) fazendo com que a água do solo entre no cilindro central e cause a pressão que fará com que a água do xilema saia pelos hidatódios foliares, no fenômeno conhecido como gutação (Figura 8). Importante destacar que os processos de absorção e transporte para o apoplasto do cilindro central dos íons requerem gasto de energia. É importante destacar que a pressão da raiz não ocorre em todas as espécies vegetais, enquanto que o processo descrito na Teoria de Dixon é geral para todas as espécies de plantas superiores. Figura 8. Fotografia evidenciando o fenômeno da gutação em Impatiens, planta da família Balsaminaceae, localizada no Parque Municipal do Curió – Parcambi/RJ. Arquivo pessoal Profas. Denise Monte Braz e Silvia Martim. 4. Movimento de água para a atmosfera Como já foi descrito no inicio do material, o potencial hídrico da atmosfera é sempre menor que o da planta e que o do solo, para que seja mantido o continuo Solo- Planta-Atmosfera. O potencial hídrico da atmosfera é totalmente influenciado pela temperatura e pela umidade relativa do ar, os quais são empregados em uma fórmula que calcula o índice mais utilizado nos estudos e na prática que é o Déficit de Pressão de Vapor (DPV). Os estômatos são altamente responsivos ao DPV da atmosfera. A movimentação de água das folhas para a atmosfera ocorre da seguinte maneira: a água é puxada do xilema para as paredes celulares do mesofilo e em seguida evapora para os espaços intercelulares (Figura 10). Logo em seguida, o vapor de água sai das folhas pela abertura estomática. É importante lembrar que o deslocamento da água nos tecidos da planta ocorre na forma líquida e é comandado por gradientes de potencial hídrico. Contudo, a fase final do movimento de água para a atmosfera ocorre na fase gasosa, sendo, portanto comandado pelo gradiente de concentração de vapor de água. A diferença de potencial hídrico entre a folha e o ar também poderia ser usada para descrever a perda de vapor da folha, contudo a relação entre concentração de vapor e potencial hídrico é não linear, fazendo com que haja preferência pelo uso do DPV. Para maiores detalhes desta relação observe a Tabela 1 que ilustra como a umidade relativa, a diferença de vapor de água e o potencial hídrico mudam em distintos pontos na via de transpiração. Em geral, a transpiração nas folhas é dependente do gradiente de pressão de vapor de água entre os espaços de ar da folha e o ar da atmosfera, e das resistências à difusão durante o caminho. Dentre as resistências envolvidas, destaca-se a resistência dos poros estomáticos (rs), principalmente pelo fato de que o grau de abertura dos estômatos é altamente variável e responsivos à atmosfera. O movimento de abertura e fechamento estomático é controlado por diversos fatores: Déficitde pressão de vapor da atmosfera, disponibilidade hídrica dos solos, qualidade e intensidade da luz, concentração interna de CO2. Todos estes fatores irão desencadear a síntese do hormônio que é o grande comandante do processo, o ácido abscísico (ABA), e os pormenores desse controle serão abordados na segunda parte da disciplina. Uma característica marcante dos estômatos é a presença do par de células-guardas, as quais atuam como válvulas operadas hidraulicamente. A alteração na forma da células-guardas decorrente da absorção e perda de água ocasiona modificações no tamanho dos poros estomáticos. Para que ocorra a abertura dos estômatos é necessário que haja uma diminuição do potencial osmótico e potencial hídrico dentro da células-guardas, que culminará na absorção de água por estas células deixando-as túrgidas e ocasionando assim a abertura dos poros estomáticos. Este processo é chamado de osmorregulação, e em sua grande maioria é comandado pelo íon potássio ou pela sacarose. Figura 10. Transporte de água pela folha. A água é puxada do xilema para as paredes celulares do mesofilo, de onde evapora para os espaços intercelulares dentro da folha. O vapor de água difunde-se, então, pelos espaços intercelulares da folha, através da fenda estomática e da camada limítrofe do ar estacionário situada junto à superfície foliar. O CO2 difunde-se na direção oposta, ao longo do seu gradiente de concentração (baixa no interior, mais alta no exterior) (Taiz et al., 2017). Tabela 1. Valores representativos de variáveis relacionadas à interação água-planta, extraida de Taiz et al., 2017