Papel da nutrição mineral na melhoria da eficiência de uso do nutrientes e produtividade das culturas: aspectos fisiológicos

Transcrição

1 Papel da nutrição mineral na melhoria da eficiência de uso do nutrientes e produtividade das culturas: aspectos fisiológicos Laboratório de Nutrição Mineral de Plantas Prof. Eurípedes Malavolta UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO CENTRO DE ENERGIA NUCLEAR NA AGRICULTURA Prof. Dr. José Lavres Junior Botucatu, 04 de novembro de 2015

2 Contextualização Antes de abordarmos os conceitos, a partir de fórmulas e deduções, das eficiências de absorção e de uso de [M], deveremos revisitar alguns conceitos: Lei do Mínimo Lei dos Incrementos Decrescentes 2

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

4 Lei dos Rendimentos Decrescentes ou Lei de Mitscherlich 4

5 Algumas assertivas devem ser consideradas : A Nutrição Mineral de Plantas per se tem contribuído significativamente para o aumento o rendimento das culturas durante o século XX. Borlaug & Dowswell (1994) reportaram que 50% de aumento do rendimento das colheitas em todo o mundo durante o século XX foi devido à aplicação de fertilizantes. Borlaug & Dowswell (1997) também afirmaram que a ciência baseada na agricultura comercialéainvençãodoséculoxx. oconhecimento geradodurante oséculoxxnocampodanmpimpactouaprodução de alimentos atual e gerou informações necessárias para novo avanços do século XXI (Loneragan, 1997). Stewart et al.(2005) relataram que a percentagem média de rendimento das culturas pelo uso de fertilizantes, no século XX, variou de cerca de 40 a 60% nos EUA e na Inglaterra e tendem a ser muito mais elevada nos trópicos. Corolário: "Não há semente milagrosa sem fertilizante" (P.R. Stout, ±1970). 5

6 Conceptual framework for nutrient management development with Three-Step Strategy to synchronously increase crop productivity, improve resource use efficiency, and protect the environment. (1) Reducing input without sacrificing yield by inseason root-zone nutrient management; (2) increasing yield and NUE significantly by 15% 20% by integrated nutrient management; (3) maximizing the productivity and sustainability at the same time to increase yield and NUE by 30% 50% by integrated soilcrop system management. The red dot means current farming practice. F. Zhang, Z. Cui, W. Zhang Front. Agr. Sci. Eng. 2014, 1(1):

7 Para onde devemos olhar/buscar? Parábola da chave perdida! 7

8 Fatores Externos efeitos interiônicos de absorção (1) Antagonismo... (2) Inibição [competitiva e não-competitiva] (3) sinergismo - a presença de um elemento aumenta a absorção de outro. Exemplo clássico do efeito Viets. Na verdade concentrações moderadas de Ca 2+ aumentam a absorção dos cátions, de modo geral, talvez por abrir as portas dos canais. A expressão o magnésio é carregador do fósforo significa, como demonstrado por Lourenço et al. (1969), que ele aumenta a absorçãodo H 2 PO 4- porque abaixa o valor de Km (Malavolta, 2006). 8

9 Fatores Internos: papel de M no metabolismo Mg 2+ carregador de H 2 PO 4 - Muitas das reações dependentes de Mg podem ser agrupadas geralmente em: (I) reações com transferência de fosfato (e.g. fosfatases e ATPases) ou (II) reações de grupo carboxilico (e.g. carboxilases). Nestas reações, o Mg 2+ preferencialmente ligas-se às bases nitrogenadas e a grupos fosforil, sendo também um exemplo para o caso do ATP: (Marschner's Mineral Nutrition of Higher Plants, Copyright 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved) 9

10 Ativador enzimático Em geral, K + induz alterações na conformação de enzimas aumentando a taxa de reações catalíticas, Vmax, e em alguns casos também a afinidade para com o substrato, Km (Evans e Wildes, 1971). M Estrutural M Grupo Prostético M Ativador 10

11 Conceitos eficiência de absorção e de uso 11

12 Conceitos eficiência de absorção e de uso Fageria et al. (2008) 12

13 The Role of Nutrient Efficient Plants in Improving Crop Yields in the Twenty First Century Fageria, Baligar & Li. Journal of Plant Nutrition, (2011) 31:6,

14 Exemplos eficiência de absorção de [M] 14

15 Exemplos eficiência de absorção de Mn Lavres Jr. (2007) 15

16 Exemplos eficiência de absorção de Mn Vmax Km Cmim Sta 0,42 1,02 0,98 IAC-15 0,50 0,87 0,55 IAC-31 0,67 0,45 0,25 Lavres Jr. (2007) 16

17 Potential mechanisms of K uptake and utilization efficiency and their interactions that influence the expression of the K-efficient phenotype KutE KupE Rengel & Damon. Physiologia Plantarum 133:

18 Genetic variation for phosphorus efficiency in soybean Wang X et al. Ann Bot 2010;106: Não eficiente e responsivo Eficiente e responsivo Não eficiente e não responsivo Eficiente e não responsivo Fageria e Kluthcouski(1980). 18

19 Exemplos eficiência de uso de Mn Mn-eficiente (IEP>1,0) 1,6 Mn-pouco eficiente (0,5<IEP<1,0) 1,4 1,2 1,0 IEP 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Santa Rosa IAC-15 IAC-Foscarin 31 Lavres Jr. (2007) O Índice de Eficiência de Produção de Grãos (IEP) (produção no mais baixo nível/média experimental no mais baixo nível) / (produção no mais alto nível/média experimental no mais alto nível) (GRAHAM, 1984) 19

20 Exemplos eficiência de uso de Zn em arroz Y LVA = -15, ,64X - 2,42X 2 (R 2 = 0,62) Eficiência agronômic ca de uso de Zn (g µg -1 ) LVA LVE * ns Pó 100 Mesh Granulado * Y LVE = 12,00-2,43X (R 2 = 0,74) ,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Eficiência fisiológic ca de uso de Zn (g µg -1 ) Quantidade total de Zn absorvida pela planta (µg) Fonte: Lavres Jr.; Abreu Jr.; Nogueira & Malavolta* (em submissão) 20

21 Macronutrient and biomass partitioning, leaf gas exchange characteristics of Jatropha as affected by macronutrients imbalances during early growth A 9.43 = max K (R 2 = 0.98) 1+ e 2.70 Healthy leaf A (µmol CO 2 m -2 s -1 ) g kg -1 K deficiency K content in leaf tissue (g kg -1 ) J. Lavres; R.F. Garrone & A.G. Campos (em submissão) 21

22 Macronutrient and biomass partitioning, leaf gas exchange characteristics of Jatropha as affected by macronutrients imbalances during early growth. 12 Amax = 9,55 13,01 N 1+ e 3,34 (R 2 = 0,93) A (mmol CO 2 m -2 s -1 ) ,4 g kg -1 Healthy leaf N deficiency N content in leaf tissue (g kg -1 ) J. Lavres; R.F. Garrone & A.G. Campos (em submissão) 22

23 Improvement of biological nitrogen fixation in soybean by calcium and boron adjustments : morphological, ultra-structural and nitrogenase activity assessments Y= 0,079-0,003Ca - 0,002B + 0,003Ca 2 + 0,002Ca.B - 0,00001B 2 (R 2 = 0,95*) 1,0 0,8 0,6 1,0 Y = 0, ,7316X (R² = 0,7669) N-ase activity C 2 H 4 plant -1. h -1 ) (µmol 0,4 0,2 0,0-0, B supply (µmol L -1 ) Ca supply (mmol L -1 ) y -1 h -1 ) N-ase activity (µmol C 2 H 4 plant - 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Fresh mass of nodules (g/plant) R.F. Garrone & J. Lavres (em submissão) 23

24 Improvement of biological nitrogen fixation in soybean by calcium and boron adjustments: morphological, ultra-structural and nitrogenase activity assessments 50B 7,25Ca R.F. Garrone, M.L. Rossi, A.P. Martinelli & J. Lavre es (em submissão) 50B 1,75Ca 3,125B 7,25Ca 3,125B 1,75Ca Controle 12,5B 4,25Ca Bars: 600 µm Bars: 150 µm 24

25 Improvement of biological nitrogen fixation in soybean by calcium and boron adjustments: morphological, ultra-structural and nitrogenase activity assessments 50B 7,25Ca 50B 1,75Ca 3,125B 7,25Ca 3,125B 1,75Ca Controle 12,5B 4,25Ca Bars: 0,5 µm R.F. Garrone, M.L. Rossi, A.P. Martinelli & J. Lavres (em submissão) 25

26 Improvement of biological nitrogen fixation in soybean by calcium and boron adjustments: morphological, ultra-structural and nitrogenase activity assessments 50B 7,25Ca 50B 1,75Ca 3,125B 7,25Ca 3,125B 1,75Ca Controle 12,5B 4,25Ca Bars: 2 µm R.F. Garrone, M.L. Rossi, A.P. Martinelli & J. Lavres (em submissão) 26

27 Soybean seed treatment with nickel improves biological nitrogen fixation and urease activity G.C. Franco; G.M.S Câmara & J. Lavres (submetido) 27

28 Desafios Futuros O DESAFIO e OBJETIVO atual da NMP é aumentar a eficiência do uso de nutrientes, contribuindo para o desenvolvimento de novos genótipos e estratégias de fertilização, e o desenvolvimento de novas ferramentas para o diagnóstico [prévio] do estado nutricional das plantas e da fertilidade do solo. 28

29 É possível utilizar mais de uma tecnologia para enfrentar o desafio? Iniciativa Privada e Pública Melhoramento genético Biotecnologia SOLUÇÃO Boas práticas agronômicas PROBLEMA NMP, Fertilidade do Solo e Adubos Fitotecnia Fisiologia Vegetal Fonte: Hunter Gatherer : Genetic Improvements in Agriculture (2011) 29

30 Desafios Futuros 30

31 Métodos isotópicos ( 32 P), bioquímicos e fisiológicos na avaliação agronômica de fertilizantes organominerais granulados pelas culturas do milho e da soja Fonte de P R (%) do 32 P PUE (g mg P) LVd OMF 14,61 a 1,15 a TSP 15,01 a 1,10 a RQo OMF 16,17 b 1,14 a TSP 19,12 a 0,99 a Teste de Tukey (α=0,05). OMF: organomineral fertilizer; TSP: triple superphosphate; LVd (Latossolo Vermelho distrófico típico); Rqo (Neossolo Quartzarênico órtico típico). R%: recovery; PUE: phosphorus utilization efficiency. J. J. Frazão (Doutorado em andamento, Ref. Proc. FAPESP 13/ ) 31

32 It s very important for us to understand how we can predict the potential nutrient imbalances before they ve actually happened by visual simptons. Manifestação visu ual somente aos 80 DAT Razão putrescina : (espermidina + espermina) Con ncentração de putrescina (nmol g -1 ) Elcio.F. Santos (2014) Dias após início dos tratamentos Completo Omissão K Completo Omissão K 32

33 It s very important for us to understand how we can predict the potential nutrient imbalances before they ve actually happened by visual simptons. Manifestação visual so omente aos 80 DAT Elcio.F. Santos (2014) 33

34 Espectroscopia de emissão ótica com plasma induzido por laser (LIBS) Fragment of LIBS spectra obtained in the analysis of the embryo (left) and endosperm region (right) of Zn treated maize seed (stored by 12 months) and untreated seed. embryo endosperm M.N. de Freitas, S.M. Cicero, J. Lavres, M. Braga, F. Krug & D.B. Abdala (em andamento) 34

35 Mapping of P, S and Zn in corn seeds by Synchrotron Xray fluorescence spectrometry Measurement conditions: Spot size = 25 µm Step = 50 µm Irradiation time per site = 0,4 s Estimated total analysis time = 5 h Zn S P 1 mm Dose 0 Mapping Com M.N. de Freitas, S.M. Cicero, J. Lavres, M. Braga, F. Krug & D.B. Abdala (em andamento) 35

36 36

37 37

38 Corolário! Não há como se pensar em eficiência de uso do nutriente [ou aumentar a EUN] se... Retirado de A. Finck(1969) Retirado de Baxter(2009) 38

39 Doutorandos: Obrigado! Elcio Santos Fernando Giovannetti Flávio Rabêlo Joaquim Frazão Pós-doc: Cristiane Prezotto Mestrandos: Raphael Garrone Guilherme Franco Aline Grella de Campos 39