TRANSPORTE NO FLOEMA

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1 1 TRANSPORTE NO FLOEMA LÁZARO E. P. PERES ESCOLA SUPERIOR DE AGRICULTURA LUIZ DE QUEIROZ - lazaropp@esalq.usp.br I- INTRODUÇÃO II- PARTIÇÃO DE ASSIMILADOS III- CARREGAMENTO IV- DESCARREGAMENTO V- ALOCAÇÃO DE ASSIMILADOS VI- TEORIA DO FLUXO DE PRESSÃO VII- IMPACTO NA PRODUTIVIDADE AGRÍCOLA VIII- BIBLIOGRAFIA I- INTRODUÇÃO O anelamento dos caules provoca interrupção do transporte no floema Desde o século XVII, já se tinha evidências experimentais de que o floema transporta substâncias importantes para o crescimento das plantas. Uma dessas evidências foi apontada por Marcelo Malpighi (1686), o qual chamou atenção para o intumescimento resultante do anelamento de troncos e galhos (Fig. 1).

2 2 O intumescimento sugere que substâncias que antes eram transportadas para a região basal do vegetal passam a acumular devido à interrupção do transporte. Outra evidência é a constatação de que plantas que sofrem anelamento do tronco principal morrem. A explicação para essa letalidade é que a falta de suprimentos vindos da parte aérea (produtos da fotossíntese) provoca a morte das raízes. Posteriormente, a parte aérea também morre, pois fica sem água e sais minerais derivados do sistema radicular. O floema nada mais é do que a parte interna da casca das plantas com crescimento secundário (Fig. 2). Nas plantas com crescimento primário, o floema também ocupa a porção externa dos caules, exceção sendo feita para as gramíneas, cujos vasos de floema e xilema estão distribuídos em vários feixes dispersos no córtex. Contudo, em cada feixe, o floema também ocupa a porção mais externa. O floema é composto por diferentes tipos de células Mais especificamente, o floema é composto de tubos crivados (TC) e células companheiras (CC). Além desses elementos, o floema contém células parenquimáticas e, em alguns casos, fibras, esclereídeos e lactíferos. Os tubos crivados (TC) são células vivas que contém mitocôndrias, plastídeos e retículo endoplasmático liso. Contudo, os TCs perdem seu núcleo e tonoplasto durante o desenvolvimento. Além disso, eles também não têm microfilamentos, microtubos, complexo de Golgi e ribossomos. A parede do TC não é lignificada, embora em alguns casos apresente crescimento secundário. Cada TC tem uma ou mais células companheiras. O TC e a CC são formados pela divisão de uma mesma célula inicial. Na maturidade, essas células irmãs permanecem interligadas por plasmodesmas. As células companheiras são fonte de ATP e de

3 3 diversas substâncias para o TC. Em Gimnospermas costuma se utilizar a terminologia elemento de seiva ao invés de elemento de tubo crivado. Nesse grupo de plantas, no lugar de células companheiras existem células albuminosas. Existem três tipos de células companheiras: CC comuns; células de transferência e células intermediárias. Os três tipos têm núcleo, citoplasma denso e muitas mitocôndrias. A CC comum tem cloroplastos com tilacóides bem desenvolvidos e parede celular com superfície lisa. São conectadas às outras células com poucos plasmodesmas. A célula de transferência tem invaginações do lado do TC para facilitar troca de solutos. Células intermediárias têm numerosos plasmodesmas e pequenos vacúolos, tilacóides pouco desenvolvidos e ausência de cloroplastos e outros plastídios, incluindo grãos de amido. Enquanto CC comum e célula de transferência devem estar associadas à recepção de solutos vindos do apoplasto, a presença de inúmeros plasmodesmas nas células intermediárias, sugere um envolvimento no aporte de solutos via simplasto. Dois interessantes componentes presentes no floema são a calose e a proteína P. A proteína P é encontrada em todas as dicotiledôneas e muitas monocotiledôneas, mas é ausente em Gimnospermas. Ela consiste de duas unidades: PP1 e PP2. A PP1 é um filamento do floema e PP2 é uma lectina do floema. As duas unidades protéicas são sintetizadas nas células companheiras. Uma das funções da proteína P é selar os poros do TC que são danificados. Como se verá adiante, os TCs estão sob pressão e as proteínas P são importantes para que o conteúdo transportado no floema não extravase. A calose, um b-1,3 glucano, também serve para selar o TC, sendo, contudo uma solução a longo prazo. A presença de calose em um TC pode ser evidenciada pela sua reação com anilina azul. A calose sintetase fica na membrana plasmática de tal modo que ela pega o substrato no citoplasma e deposita o produto na parede celular. Essa enzima requer Ca 2+ e por isso a taxa de exudação aumenta ao se aplicar quelantes de Ca 2+ (ex.: EDTA). A calose é sintetizada no TC em resposta a um dano, início de dormência ou alta temperatura. Quando o TC se recupera, a calose desaparece. O floema transporta diversos tipos de substâncias Muito do que sabemos hoje sobre transporte no floema é graças ao estudo dos afídeos (pulgões e cochonilhas). Esses insetos introduzem seu aparelho bucal (rostro), diretamente no TC e ao analisarmos o conteúdo sugado podemos deduzir o que é transportado no floema. Pulgões anestesiados com fumigação de CO2 têm seus rostros isolados e estes continuam exudando seiva, já que o floema está sobre pressão. Essas análises indicam que o principal soluto transportado no floema é a sacarose. A concentração de sacarose transportada varia entre 0,3 a 0,9 M. Além da sacarose, o floema transloca outros açúcares não redutores (pois são menos reativos), tais como: rafinose (sacarose + galactose), estaquiose (sacarose + 2 galactoses) e verbascose (sacarose + 3 galactoses). Açúcares cujos grupos aldeído e cetonas foram reduzidos a álcool (manitol, sorbitol) também são translocados. O floema também é um importante transportador de nitrogênio. O nitrogênio ocorre no floema na forma de aminoácidos (glutamato e aspartato) e aminas (glutamina, asparagina), mas nunca na forma de nitrato. Proteínas essenciais para o funcionamento celular (tiorredoxina, quinases, ubiquitina, chaperonas) também são translocadas. Apesar do floema não transportar nitrato, ele transporta muitos nutrientes minerais, tais como: Mg 2+, PO4 3-, Cl - e K +. Esse último, o potássio, juntamente com a sacarose, é o principal componente osmótico da seiva do floema. Além do NO3 -, o floema também não transporta Ca 2+, SO4 2- e Fe. Como o Ca 2+ é mantido em baixas concentrações no simplasto e o floema tem citoplasma, é compreensível que ele não seja translocado via floema. A pouca mobilidade do Fe pode ser devido à sua precipitação nas folhas velhas sob a forma de fosfatos ou óxidos insolúveis ou pela complexação com a fitoferritina, uma proteína que se liga a Fe presente nas folhas. Substâncias ácidas tendem a ficar presas no floema, pois ele é básico.

4 4 Por fim, o floema também transporta substâncias sinalizadoras, sendo importante na comunicação entre as várias partes das plantas. Entre as substâncias sinalizadoras transportadas no floema, estão os hormônios vegetais do tipo auxina, giberelina, citocinina e ácido abscísico. Outro importante sinal transportado pelo floema é o RNA mensageiro (mrna). Em experimentos de enxertia combinando uma planta de genótipo mutante específico com outra de genótipo normal, pode se provar que substâncias passadas pelo floema são capazes de modificar o fenótipo de plantas não mutantes. A substância em questão é o mrna da planta mutante (Kim et al., 2001). De modo semelhante, é bem conhecido que ao enxertarmos plantas não induzidas para o florescimento em plantas induzidas, uma substância desconhecida (florígeno) é capaz de ser passada através do floema para a planta não induzida, provocando seu florescimento (Aukerman & Amasino, 1998). Além de RNA, o floema também transporta outras macromoléculas como peptídeos (ex. sistemina) e partículas virais (Oparka & Santa Cruz, 2000). II- PARTIÇÃO DE ASSIMILADOS O floema promove a distribuição de nutrientes nas diversas partes das plantas Vimos no item anterior que os solutos mais importantes transportados pelo floema são produtos da fotossíntese. Levando-se em conta que somente algumas partes da planta fazem fotossíntese, o transporte no floema é essencial para que todos os órgãos do vegetal sejam supridos. No caso do transporte de solutos inorgânicos, o floema também é de importância fundamental. Como a força motriz para a absorção de solutos inorgânicos normalmente é a transpiração, os nutrientes provenientes do solo tendem a se acumular nos órgãos que transpiram mais, como as folhas maduras, em detrimento dos que transpiram menos, como os brotos novos e frutos. Para corrigir isso, os vegetais redistribuem os nutrientes de um órgão para outro através do floema. Uma conseqüência disso é que aqueles nutrientes que não são transportados pelo floema (Ca 2+, SO4 2- e Fe) ficam em baixas concentrações em órgãos que transpiram pouco. A figura 3 fornece um exemplo de distribuição de nutrientes móveis e imóveis no floema entre as folhas e os frutos de tomateiro. Esse processo de redistribuição de nutrientes entre as várias partes da planta é denominado partição.

5 5 A partição de assimilados é feita no sentido da fonte para o dreno A partição de nutrientes feita através do floema segue um critério relativamente simples: ela é feita sempre no sentido da fonte para o dreno, sendo que os drenos mais fortes recebem mais nutrientes. Resta definirmos o que são fontes e drenos, além de tecermos alguns comentários a cerca dos fatores que contribuem para a força de um dreno. As fontes normalmente são órgãos que atingiram um grau de desenvolvimento que lhes permite absorver quantidades adequadas de água e nutrientes pela corrente transpiratória e ter uma fotossíntese líquida capaz de torna-los autotróficos. Exemplos de fontes são folhas expandidas e órgãos de reserva na fase em que estão exportando nutrientes (período de inverno, etc). Em plantas bianuais, no primeiro ano o órgão de reserva funciona como dreno e no segundo como fonte. Muitas das raízes tuberosas que cultivamos hoje são o resultado da seleção de plantas bianuais que passaram a serem drenos permanentes (Ex. beterraba, cenoura). Como exemplos de drenos, podemos destacar tecidos vegetativos que estão em crescimento (ápices radiculares e folhas jovens); tecidos de armazenamento (raízes e caules) na fase em que estão importando e unidades de reprodução e dispersão (frutos e sementes). Quanto aos fatores que definem a força do dreno, três são os principais: 1) Proximidade. Normalmente as fontes translocam nutrientes para os drenos que estão mais próximos delas. Uma conseqüência prática disso é que folhas que sombreiam outras folhas mais próximas dos drenos de interesse devem ser eliminadas. Isso ocorre em videira, onde as folhas próximas aos cachos são as responsáveis pela qualidade dos frutos. Como critério geral, as folhas da porção superir da planta costumam translocar nutrientes para as folhas novas e caules em crescimento e as folhas da porção basal tendem a exportar para o sistema radicular.

6 2) Desenvolvimento. Durante a fase vegetativa os maiores drenos são raízes e ápices caulinares. Na fase reprodutiva os frutos se tornam dominantes. 6 3) Conexão vascular. Fontes translocam assimilados preferencialmente para drenos com os quais elas têm conexão vascular direta. Como se verá adiante, pode-se levar em conta alguns desses critérios para um manejo correto das culturas a fim de se aumentar a força dos drenos desejáveis e conseqüentemente a produtividade. Contudo, antes de discutirmos essas aplicações, é desejável que tenhamos um conhecimento mais aprofundado sobre o transporte no floema. Pode-se dizer que o transporte do floema compreende três etapas principais: o carregamento na fonte, o transporte em longa distância nos TCs e o descarregamento no dreno. A seguir consideraremos a primeira dessas etapas. III- CARREGAMENTO O carregamento no floema na região da fonte pode ser simplástico ou apoplástico O carregamento do floema na região da fonte envolve o movimento dos produtos dos cloroplastos nas células do mesofilo para as células do tubo crivado (TC). Esse processo ocorre nas nervuras terminais das folhas (Fig. 4). Analisando o processo de carregamento sob o ponto de vista anatômico e bioquímico, vemos que a triose fosfato produzida no estroma dos cloroplastos deve ir para o citoplasma e se converter em sacarose. A sacarose deve migrar das células do mesofilo para a vizinhança dos TC nas nervuras terminais das folhas. Finalmente, a sacarose deve entrar no complexo CC-TC. Existem dois tipos principais de carregamento: o simplástico (através dos plasmodesmas) e o apoplástico (Fig. 5). Nesse último caso, os açúcares presentes no espaço intercelular e na parede celular (apoplasto) devem ser transportados ativamente para atravessarem a membrana citoplasmática e entrarem no complexo CC-TC. Há uma distinção entre carregamento do floema e carregamento do complexo CC-TC. O carregamento do floema refere-se ao caminho como um todo que os fotoassimilados tomam a partir do mesofilo até o complexo CC-TC. Por outro lado, o carregamento do complexo CC-TC restringe-se à descrição da entrada do fotoassimilado neste. O carregamento do complexo CC-TC é simplástico quando há uma continuidade simplástica entre este e as células adjacentes e é apoplástico quando envolve a passagem dos solutos pela membrana. O carregamento do floema é simplástico quando todo o caminho é simplástico. De modo diferente, o carregamento

7 7 do floema será apoplástico se os plasmodesmas estão ausentes em algum ponto do caminho, independente do local onde há a descontinuidade simplástica. Desse modo, uma espécie pode ter carregamento apoplástico do floema, mesmo que o carregamento do complexo CC-TC seja simplástico. A via apoplástica de carregamento ocorre em plantas que possuem CC comum ou células de transferência nas nervuras terminais. Essas espécies transportam quase que exclusivamente a sacarose. Plantas com carregamento via apoplasto estão presentes nas famílias Solanaceae (batata, tomateiro), Fabaceae (feijão, ervilha), Chenopodiaceae (beterraba), Asteraceae, Brassicaceae, Balsaminaceae, Boraginaceae e Geraniaceae. Espécies com CC intermediárias fazem carregamento via simplasto. Essas espécies transportam 20 a 80% de seus açúcares na forma de rafinose e/ou estaquiose, além da sacarose. Exemplo de espécies com carregamento simplástico estão presentes nas famílias Cucurbitaceae (abobrinha, melão), Labiatae (Coleus blumei) e Convolvulaceae. Um resumo dos tipos de células companheiras, suas características e tipo de carregamento em que participam é apresentado na Tabela 1. Um requisito importante para o carregamento apoplástico é a ausência de transpiração na região onde ele ocorre. Caso haja transpiração, a tensão gerada pelas

8 8 forças de adesão e coesão no apoplasto pode carrear a sacarose, impedindo seu carregamento no complexo CC-TC. Os carreadores de sacarose são fundamentais para o carregamento apoplástico Nas folhas fontes o acúmulo de sacarose no complexo CC-TC faz com que o potencial osmótico (ys) seja mais negativo nesse local do que no mesofilo. Em plantas com carregamento apoplástico, a sacarose do apoplasto entra no complexo CC-TC através de um carregador localizado na membrana plasmática que faz simporte entre sacarose e prótons (H + ). Para garantir o suprimento de prótons no apoplasto, é necessária a atividade de uma ATPase (Fig. 6). A presença do carreador de sacarose é importante também para garantir um fluxo contínuo desse açúcar vindo do mesofilo para o apoplasto, pois ele mantém o potencial químico dessa substância sempre baixo no apoplasto. A exemplo disso, a substância sintética denominada: ácido paracloromercuribenzenosulfônico (PCMBS), a qual parece interferir no carreador de sacarose ou na ATPase, impede o carregamento apoplástico, mas não o simplástico. Já foi evidenciado que tanto as ATPases, quanto um carreador de sacarose denominado SUC2 estão localizados na membrana plasmática das células companheiras. Nas células de transferência, esse conjunto está nas invaginações voltadas para o TC. Um outro carreador denominado SUT1 (presente em Solanáceas como tomateiro) está localizado no TC e não na CC. Contudo, o mrna para SUT1 é produzido na CC (pois o TC não tem núcleo).

9 9 No carregamento apoplástico, antes da sacarose ser carregada no TC da fonte, deve haver um efluxo desse açúcar do mesofilo para o apoplasto. É possível que existam células especializadas no mesofilo para fazer tal processo. Sabe-se que o potássio estimula essa etapa de saída de fotoassimilados do simplasto para o apoplasto. Portanto, uma boa nutrição com potássio tende a aumentar a sacarose no apoplasto, e isso induz seu carregamento no TC e, em última análise, o crescimento do dreno. Por outro lado, uma diminuição do conteúdo de sacarose no apoplasto da fonte pode reduzir drasticamente o carregamento de plantas que tem esse processo via apoplasto. Um exemplo disso ocorreu em tomateiro transgênico superexpressando invertase do apoplasto (Dickinson et al., 1991). Nessas plantas, a atividade da invertase de apoplasto transforma a sacarose em hexoses, prejudicando o carregamento no complexo CC-TC, o qual é feito por um carreador de sacarose e não de hexoses (Fig. 6). No referido trabalho, o acúmulo de hexoses no limbo foliar dos tomateiros transgênicos provocou diversos sintomas. Além das plantas apresentarem um crescimento prejudicado, as folhas apresentaram áreas necróticas, sendo que esse sintoma foi aumentado à medida que as folhas passavam do estágio de drenos para fontes. No escuro os sintomas foram atenuados e as plantas transgênicas mostraram uma tendência a acumular amido em maior quantidade que o controle não transgênico (Dickinson et al., 1991). Em um experimento semelhante feito em Arabidopsis thaliana constatou-se que a superexpressão de uma invertase do

10 10 apoplasto não teve efeito nessa espécie (Von Schewen et al., 1990), a qual possui carregamento apoplástico. Uma das possíveis explicações seria a existência de carreadores de hexose na região de carregamento de algumas plantas. O carregamento simplástico está relacionado com a formação de polímeros de sacarose No carregamento por simplasto, obviamente, não há a necessidade de um carreador de sacarose para que ela atravesse a membrana plasmática. Contudo, o acúmulo de açúcares no complexo CC-TC impede que esse processo seja feito por simples difusão, pois com o passar do tempo o fluxo se reverteria. Uma hipótese para esse tipo de transporte seria o modelo de armadilha de polímero (Fig. 7) proposto por Turgeon (1991). Nesse modelo, a sacarose move-se do mesofilo para a célula intermediária onde ela se converte em rafinose mantendo o gradiente de difusão. Rafinose e estaquiose não retornariam ao mesofilo, pois são muito grandes (os plasmodesmas que ligam o mesofilo à CC devem ser menores que os que ligam o CC ao TC). O carregamento simplástico é freqüente em plantas de florestas tropicais Uma questão interessante é o porquê da existência de dois tipos de carregamento (simplástico e apoplástico). Sabe-se que o carregamento simplástico é mais comum em árvores e arbustos da região tropical úmida. Por outro lado, o carregamento apoplástico predomina em plantas herbáceas de regiões temperadas e zonas áridas. Uma das hipóteses para explicar a existência de tipos diferentes de carregamento seria uma adaptação à temperatura e à seca. Pode ser que o carregamento apoplástico seja uma adaptação à inibição do carregamento simplástico em baixas temperaturas e estresse hídrico. Em baixas temperaturas há um aumento da viscosidade da seiva e

11 11 conseqüente diminuição do fluxo de pressão. Pelo menos em regiões temperadas, as espécies com carregamento simplástico geram menor fluxo de pressão, possivelmente devido ao transporte de oligossacarídeos, os quais, em baixas temperaturas tendem a aumentar a viscosidade. Além disso, a capacidade das células intermediárias de produzirem oligossacarídeos pode diminuir muito em baixas temperaturas. De modo geral, a taxa de carregamento simplástico tende a ser menor que o apoplástico. Análises filogenéticas indicam que o carregamento apoplástico originou-se do simplástico como um caráter adaptativo. IV- DESCARREGAMENTO O descarregamento na região do dreno pode ser simplástico ou apoplástico. De todas as etapas do transporte no floema, o descarregamento é o que parece estar mais diretamente ligado com as diferenças na capacidade de armazenamento entre os diferentes tipos de drenos. Com as perspectiva de se aumentar o descarregamento em drenos de interesse econômico, tais como frutos, sementes, tubérculos e raízes tuberosas, esse processo vem sendo objeto de intensos estudos (Patrick, 1997; Oparka & Santa Cruz, 2000). Assim como o carregamento do floema que ocorre na fonte, o descarregamento que ocorre nos drenos envolve uma série de etapas, tais como: 1) Descarregamento do soluto vindo do TC. 2) Transporte a curta distância depois do descarregamento até as células do dreno 3) Armazenamento e metabolismo do açúcar no dreno. Essa terceira etapa (armazenamento e metabolismo do fotoassimilado) é o que denominamos alocação de assimilados e será discutida posteriormente. A duas primeiras etapas constituem o descarregamento propriamente dito, o qual pode ser do tipo simplástico ou apoplástico (Fig. 8). O descarregamento apoplástico admite duas possibilidades, sendo que o descarregamento do TC pode ser apoplástico (tipo1, Fig. 8) ou pode ser simplástico, possuindo uma etapa apoplástica posterior (tipos 2A e 2B, Fig. 8).

12 12 O tipo de descarregamento varia com a espécie e com o estágio de desenvolvimento A ocorrência de descarregamento simplástico ou apoplástico varia de acordo com a espécie vegetal, o tipo de tecido ou órgão e a fase de desenvolvimento (Fig. 9). Um bom exemplo é o fruto de tomate, o qual possui um descarregamento simplástico e uma acumulação de amido no começo do desenvolvimento e posteriormente um descarregamento apoplástico e um acúmulo de açúcares solúveis. O tipo de descarregamento com maior capacidade de transporte é o simplástico e por isso o apoplástico é reservado para situações especiais. O descarregamento do floema tende a ser simplástico (Fig. 9A e B) em drenos nos quais o carbono é estocado em polímeros como amido e proteínas, ao invés de sacarose. Regiões meristemáticas caulinares e radiculares normalmente também possuem descarregamento do tipo simplástico. Nos ápices radiculares, os fotoassimilados chegam à região subapical desses órgãos através dos elementos do protofloema. Existem plasmodesmas ligando os TCs desses elementos com as células meristemáticas nos ápices radiculares. O descarregamento nos ápices caulinares é parecido com o que ocorre no ápice radicular. Um exemplo de ápice caulinar que se transforma em um órgão de reserva é o tubérculo de batata. Desse modo, o descarregamento desse dreno de estoque de polímeros é simplástico (Fig. 9A), assim como o meristema caulinar que o originou. Apesar da cana-de-açúcar acumular açúcares solúveis e não polímeros, o processo de descarregamento nos colmos que acumulam sacarose é necessariamente simplástico, pois há uma barreira apoplástica na parede celular das células da bainha do feixe vascular (Fig. 9B). O descarregamento apoplástico (Fig. 9C e D) é comum em monocotiledôneas (ex. folhas jovens de milho), órgãos de reserva que acumulam mono e dissacarídeos ao invés de polímeros (ex. raízes de

13 13 beterraba e cenoura), frutos (tomate, uva, laranja) e em sementes em desenvolvimento. Nas sementes em desenvolvimento é necessário um descarregamento apoplástico, pois não há conexão simplástica entre o tecido materno e os tecidos do embrião (Fig. 9D). O descarregamento apoplástico em raízes que acumulam carboidratos como, a beterraba e a cenoura, é feito em três etapas: 1) efluxo do açúcar para o apoplasto, 2) passagem do açúcar para as células parenquimáticas do floema e 3) passagem simplástica para as células parenquimáticas de estoque (Fig. 9C).

14 14 As enzimas invertases são fundamentais para o descarregamento apoplástico Durante o processo de descarregamento, é necessário que se mantenha o potencial de sacarose sempre baixo na célula receptora, para que não haja refluxo desse açúcar. Em órgãos com descarregamento simplástico, o baixo potencial químico de sacarose é mantido pela respiração ou pela conversão dos açúcares transportados em compostos necessários para o crescimento ou em polímeros de estoque. Já em órgãos com descarregamento apoplástico, as invertases desempenham um papel central na manutenção de um baixo potencial de sacarose para que haja uma chegada contínua desse composto nas células receptoras (Fig. 10). A enzima invertase pode agir em diversos locais na célula receptora (Fig. 11) e sua ação é em conjunto com os transportadores de açúcares. Se a atividade da invertase é no apoplasto, a entrada do assimilado na célula receptora requer a presença de transportadores de hexose na plasmalema. Por outro lado, se sua ação é no citoplasma ou no vacúolo, transportadores de sacarose devem estar presentes na plasmalema ou no tonoplasto, respectivamente (Fig. 11). As invertases e os carreadores de açúcares também podem funcionar como mecanismos de recuperação de açúcares que se perdem para o apoplasto durante o descarregamento simplástico (Patrick, 1997). Desse modo, espécies com carregamento simplástico podem ter uma via apoplástica paralela. Um exemplo disso parece ser a batata, pois apesar de possuir um descarregamento simplástico, a superexpressão de invertase no apoplasto do tubérculo tende a aumentar a acumulação de matéria seca nesse órgão (Frommer & Sonnewald, 1995).

15 15 Tanto o descarregamento simplástico quanto o apoplástico são dependentes de ATP No descarregamento apoplástico pode haver necessidade de gasto de energia para que os assimilados atravessem membranas. Nesse tipo de descarregamento, o açúcar deve atravessar duas membranas: a do TC e a da célula receptora. Às vezes há necessidade de atravessar a membrana do tonoplasto também, se a sacarose for armazenada no vacúolo. Embora não haja necessidade de atravessar membranas no descarregamento simplástico, há necessidade de energia para o metabolismo e biossíntese de polímeros de reserva. Em leguminosas, tanto a saída do TC quanto a entrada na célula receptora são processos ativos. Em trigo, a saída é passiva (a favor de gradiente) e a entrada é ativa. Tanto o transporte de hexose quanto o de sacarose costuma ser realizado em cotransporte (simporte) com prótons. Para manter um alto potencial de prótons utilizados no cotransporte, é necessário o gasto de energia através das ATPases. Pelo exposto acima, pode se concluir que três proteínas fundamentais estão envolvidas no descarregamento apoplástico do floema, ou seja: as invertases, as proteínas transportadoras de açúcar através das membranas e as H + -ATPases. O estudo e a manipulação da atividade dessas proteínas pode ser a chave para aumentar o descarregamento em alguns drenos de interesse agronômico. No caso do descarregamento simplástico, o principal mecanismo para garantir sua continuidade é a síntese de polímeros, sobretudo o amido. A síntese de polímeros, ou seja, o metabolismo do açúcar transportado é considerada alocação de assimilados e será discutido a seguir.

16 16 V- ALOCAÇÃO DE ASSIMILADOS Entende-se como alocação de assimilados a regulação da divisão do carbono fixado entre as várias vias metabólicas. A alocação compreende o armazenamento, a utilização e o transporte do carbono fixado. Vários podem ser os destinos metabólicos do carbono fixado, tais como a utilização na respiração, síntese de reservas e síntese de materiais estruturais (parede celular, lignificação, etc). O processo de alocação pode ocorrer tanto na fonte como no dreno. Nas fontes, após a fotossíntese, algumas plantas armazenam o carbono fixado sob a forma de amido nos cloroplastos e sacarose nos vacúolos, sendo essas fontes de carbono mobilizadas para a translocação durante a noite. Normalmente, a sacarose é mobilizada primeiro e só quando ela termina é que a planta começa a degradar amido. A síntese de sacarose no citoplasma compete com a de amido nos cloroplastos A regulação entre a síntese de amido ou de sacarose é um processo regulado de modo competitivo nos vegetais. Como a sacarose é sintetizada no citosol, a triose fosfato destinada para isso deve vir do cloroplasto. Ao mesmo tempo, a síntese de ATP no cloroplasto requer um suprimento de fosfato vindo do citosol. Quem faz essa troca é o translocador de fosfato. Se há síntese de sacarose no citoplasma, há liberação de fosfato, ou fósforo inorgânico (Pi) que é trocado por triose do cloroplasto. Desse modo, reduz-se a triose disponível para a síntese de amido no cloroplasto (Fig. 12). As enzimas chaves na biossíntese de sacarose no citoplasma são a sacarose fosfato sintase (SPS) e a frutose-1,6-bisfosfatase. No cloroplasto, a enzima chave na síntese de amido é a ADP-glicose pirofosforilase (Fig. 11). Essa última enzima é inibida por Pi. Se o nível de Pi é alto no citossol, ele será trocado por triose fosfato para síntese de sacarose e a síntese de amido será inibida. A luz também afeta a alocação de assimilados, sendo que ela promove a desfosforilação da enzima SPS, tornando-a ativa.

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18 18 A alocação de assimilados é de interesse para o melhoramento vegetal Existem consideráveis diferenças quanto à alocação de assimilados entre os diferentes tipos de órgãos e espécies vegetais, sendo essa variabilidade de interesse para o melhoramento vegetal. Muitas espécies vegetais acumulam amido em frutos imaturos e a degradação desse amido durante a maturação contribui para um aumento no teor de sólidos solúveis (Brix). Entre as plantas cultivadas nas quais se tem buscado um aumento no Brix, está o tomateiro (Lycopersicon esculentum). Enquanto o Brix do tomateiro normalmente não ultrapassa o valor 5, algumas espécies do gênero Lycopersicon possuem frutos com Brix igual a 10. É interessante notar que os frutos de uma dessas espécies, L. hirsutum, acumulam muito amido quando verdes, o qual está relacionado com uma maior atividade da enzima ADP-glicose pirofosforilase (Schaffer et al., 2000). Uma outra espécie com alto Brix é L. chmielewskii. Essa última espécie possui um lócus não funcional para a enzima invertase específica do fruto (Chetelat et al., 1995), o que faz com que seus frutos acumulem sacarose, ao invés de hexoses, como ocorre no tomateiro. Sob o ponto de vista osmótico, o acúmulo de sacarose ao invés de hexose faz com que, para uma mesma quantidade total de carbono fixado, o potencial osmótico (ys) seja bem maior (menos negativo) em frutos que acumulam sacarose. Com um maior potencial osmótico, há uma tendência de acumular menos água, o que leva a duas conseqüências que favorecem a um maior Brix. Em primeiro lugar, o menor acúmulo de água irá diluir menos os sólidos solúveis. Em segundo lugar, esse frutos tenderão a manter um menor potencial de pressão (turgescência), o que, como se verá adiante, favorece o descarregamento e a força do dreno. Por fim, a ausência da atividade de uma invertase no fruto e a grande acumulação de amido em espécies de Brix elevado sugerem que, para se obter um tomateiro com Brix equivalente, seria necessário mudar muitos aspectos da sua alocação de assimilados, os quais podem ser controlados por diversos genes. Essa constatação está de acordo com as análises genéticas que mostram que a herança do Brix em Lycopersicon é poligênica (Peterson et al., 1988). Uma outra espécie cultivada onde as diferenças na alocação de assimilados possuem um amplo impacto na produtividade é a batata (Solanum tuberosum). Nessa espécie, tem se buscado sempre variedades com alto conteúdo de amido nos tubérculos. Uma abordagem biotecnológica interessante para essa cultura seria a alteração genética de componentes importantes nos processos de alocação, para favorecer o acúmulo de amido (Fig. 12). A exemplo disso, plantas de batata transformadas com antisense para o translocador de Pi alocaram mais carbono em amido e menos em sacarose (Reismeier et al., 1993). De modo semelhante, batatas

19 19 transgênicas superexpressando a enzima ADP-glicose pirofosforilase tiveram um aumento de 30% no conteúdo de amido (Frommer & Sonnewald, 1995). VI- TEORIA DO FLUXO DE PRESSÃO A velocidade média de transporte no floema é de 1m/h. Até o começo da década de 80 o movimento a longa distância no floema era o principal componente estudado, e para tal, muitas teorias foram levantadas. Nesse contexto, o estudo dos processos de carregamento e descarregamento ficou relativamente negligenciado. Embora hoje tenhamos claro que esses dois processos são na verdade os mais relevantes para, por exemplo, manipular um dreno de interesse agronômico, o conhecimento do transporte a longa distância não pode, por sua vez, ser negligenciado. Sobre esse tópico, sabe-se que para uma distância de um metro, um determinado soluto demorará em média uma hora para ser translocado. Embora a velocidade média no floema seja, portanto de 1 m/h, ela pode variar de 0,3 a 1,5 m/h. Essa velocidade é rápida e evidencia que o transporte não é por difusão. A título de comparação, a taxa de difusão é de 1 m a cada 32 anos. Outra característica do transporte no floema é que ele, ao contrário do xilema, é feito por pressão e não por tensão. Uma prova disso é o fato dos afídios não necessitarem de sugar o conteúdo floemático, sendo que esse continua fluindo pelos estiletes desses insetos, mesmo quando o resto do corpo é removido. A água move-se no floema a favor de um gradiente de potencial de pressão Atualmente a teoria mais aceita para explicar o transporte à longa distância no floema é a do Fluxo de Pressão. Essa teoria foi proposta por Münch em 1930 e perfaz os requisitos expostos acima. O fluxo de pressão (Fig. 13) é gerado pelo gradiente de potencial de pressão (yp) entre a fonte e o dreno. O gradiente de pressão, por sua vez, gerado pelas alterações no potencial hídrico (yh) devido aos processos de carregamento descarregamento. Na fonte o carregamento de solutos (fotoassimilados) abaixa o potencial osmótico (ys) e conseqüentemente o yh do TC. O abaixamento do yh provoca a entrada de água vinda do xilema, aumentando o potencial de pressão (yp) do TC nessa região. No dreno, o descarregamento de solutos aumenta o yh do TC, fazendo com que a água saia para as células adjacentes. Há uma diminuição do yp e o gradiente de yp entre a fonte e dreno é a pressão de turgescência necessária ao movimento no floema. Em última análise, pode se dizer que o gradiente de pressão é estabelecido como conseqüência do carregamento do floema na fonte e do descarregamento no dreno. É interessante notar que na teoria de Münch, a água move-se no floema contra um gradiente de potencial hídrico (yh) da fonte para o dreno. Esse movimento de água não vai contra as leis da termodinâmica, pois ela está se movendo por fluxo de massa e não por osmose. O movimento de água é, portanto conduzido por um gradiente de pressão e não por um gradiente de yh. Embora o fluxo de pressão seja passivo, ele é gerado por processos ativos de absorção de solutos na fonte e no dreno. Por fim, é importante ressaltar que se não existissem as placas crivadas no TC, os gradientes de ys, yh e yp não seriam possíveis, pois os sistemas tenderiam rapidamente a um equilíbrio.

20 20

21 21 A manipulação do fluxo de pressão influencia o descarregamento Matematicamente, o volume do fluxo de seiva (Jv) pode ser representado pela expressão: Na expressão acima, Lp representa a condutividade hidráulica e yp1 e yp2 são os potenciais de pressão da fonte e do dreno, respectivamente. Essa equação indica que uma diminuição artificial do potencial de pressão no dreno (yp2) aumentaria o volume do fluxo de seiva em um dreno. Uma maneira de se fazer isso, seria diminuir o potencial osmótico (através da adição de solutos) de uma solução externa ao dreno, o que provocaria a saída de água e conseqüente diminuição do potencial de pressão das células do dreno. Consistente com essa observação, o tratamento de raízes de plântulas de ervilha com manitol aumentou a importação de [ 14 C]-sacarose (Schultz, 1994), possivelmente porque houve diminuição do potencial de parede nas células do dreno. No referido experimento, a adição de 350 nm de manitol aumentou a incorporação de sacarose em mais de 300% (Schultz, 1994). Embora tenhamos enfatizado até aqui que os processos de carregamento e, sobretudo de descarregamento sejam os alvos primários para manipulações biotecnológicas visando aumentar a produtividade agrícola, os experimentos de Schutz (1994) evidenciam que o controle do transporte a longa distância também pode favorecer o descarregamento em drenos de importância agronômica. VII- IMPACTO NA PRODUTIVIDADE AGRÍCOLA A prática das podas altera a partição de assimilados Quando um horticultor realiza podas em suas culturas, ele na verdade está buscando modificar a partição de assimilados manipulando fontes e drenos. Existem vários tipos de podas, mas na maioria delas o objetivo é deslocar os fotoassimilados para os drenos de interesse e, conseqüentemente, aumentar a produtividade. Desse modo, é comum se eliminar os chamados ramos ladrões em fruteiras perenes ou fazer a eliminação de brotações laterais em culturas anuais como o tomateiro. Além de se eliminar os drenos não produtivos, também é comum fazer o desbaste do excesso de flores ou frutos em desenvolvimento para aumentar a quantidade de assimilados que é direcionada para os que restam. Um tipo de poda bastante peculiar e que possui

22 22 relação direta com o transporte no floema é a prática do anelamento em videiras. Nessa cultura faz se o anelamento dos ramos que contém racemos ainda em flor para provocar a retenção de assimilados e conseqüentemente a melhoria da qualidade das uvas produzidas naquele cacho (Fig. 14). O transporte no floema, e não a fotossíntese, altera diretamente o índice de colheita 1 Além das práticas horticulturais, uma outra maneira de se aumentar a produtividade é através do melhoramento genético. Como a fotossíntese é a fonte geradora dos fotoassimilados e em última análise, do que é produzido na agricultura, tem se a noção geral que o melhoramento das espécies cultivadas possui como um dos alvos principais a otimização da fotossíntese. Contudo, é preciso ter em mente que a fotossíntese é um processo fundamental para a sobrevivência de qualquer planta, cultivada ou selvagem, e por isso vem sendo melhorado pela própria natureza a pelo menos 3 bilhões de anos (Mann, 1999). Essa observação leva a crer que seja muito difícil otimizar ainda mais o sistema fotossintético ao nível celular ou das moléculas envolvidas nas reações do tilacóide (transformação da luz em poder redutor) ou do estroma (redução do CO2 a composto orgânico). Consistente com essa hipótese, sabe-se que historicamente o aumento da produtividade agrícola não tem sido correlacionado com um aumento na biomassa das culturas (Fig. 15). Hoje sabemos que a diferença entre as cultivares tradicionais e as modernas, mais produtivas, não é um aumento na produção de matéria seca (MS) e sim do índice de colheita (IC)1. Como a MS é produto direto da fotossíntese e o IC é regulado pela relação fonte e dreno, pode se dizer que o melhoramento não aumentou a taxa de fotossíntese por área foliar, mas sim a partição de 1 O índice de colheita (IC) é a razão da MS colhida pelo total de MS da parte aérea (IC caulinar). Se for levado em conta o sistema radicular, será chamado IC da planta ou total.

23 23 fotoassimilados. Sendo assim, é dispensável dizer que o entendimento do processo de transporte no floema é de importância estratégica para a agricultura. Mesmo sem conhecer bem os processos de carregamento, descarregamento e de transporte a longas distâncias no floema, os melhoristas devem ter inconscientemente selecionado mutações nesses processos ao fazerem seleção massal para maior produtividade. Os hormônios podem aumentar a produtividade alterando a partição de assimilados Mutações e plantas transgênicas afetando o desenvolvimento vegetal também podem alterar bastante o IC. Um alvo para essas mutações ou manipulações biotecnológicos são os hormônios vegetais. Como os hormônios vegetais regulam o desenvolvimento, eles possuem pelo menos um papel indireto na regulação da relação fonte-dreno, pois regularão o crescimento relativo de cada fonte e cada dreno. Um exemplo marcante é o caso dos mutantes semi-anões de trigo que foram a base da Revolução Verde. Hoje sabemos que esses mutantes são na verdade defectivos na codificação de proteínas essenciais na transdução de sinais para giberelinas (Silverstone & Sun, 2000). O nanismo provocado por giberelinas tende a ser mais intenso nas partes vegetativas (encurtamento do entrenó) do que nas reprodutivas. Como conseqüência, há um aumento relativo dos drenos que são colhidos (grãos) em detrimento dos que não serão colhidos, aumentando o IC. Além disso, o nanismo em gramíneas permite o emprego de dosagens elevadas de adubação nitrogenada sem que haja o acamamento, o qual é prejudicial para a colheita. Uma outra classe hormonal, composta pelas citocininas, também pode ter impacto no IC, pois ao retardar a senescência das fontes, controlará a quantidade total de fotoassimilados que será produzida para um determinado dreno (Gan & Amasino, 1995). Como o carregamento e o descarregamento envolvem transporte ativo de solutos dependentes da ATPase de H +, o hormônio auxina, o qual regula essa enzima, também pode ter um papel importante na regulação da relação fonte-dreno. As proteínas ATPases agem em conjunto com carreadores de açúcares nas regiões de carregamento e descarregamento e por isso, mutações nos genes que codificam esses carreadores também são alvos a serem selecionados para obtenção de plantas com maior IC. Contudo, é importante ressaltar que há um limite no crescimento do índice de colheita, pois além de translocar assimilados para órgãos que serão colhidos, as plantas também precisam investir nos órgãos que irão gerar fotoassimilados (folhas) ou nutrientes minerais e água (raízes). Sugere-se um limite de IC de 0,62 para o trigo (Gifford et al., 1984).

24 24 A transição de dreno para fonte poderá ser objeto de manipulações biotecnológicas Um outro fator de impacto na produtividade agrícola que está relacionado com o transporte no floema é a produção de raízes tuberosas e tubérculos. Esses órgãos de reservas são geralmente provenientes de plantas domesticadas que originalmente eram bianuais (ex. beterraba, cenoura). No estado selvagem, essas plantas possuíam órgãos de reserva que eram drenos em um primeiro ano e depois se transformam em fontes de assimilados para o crescimento reprodutivo no segundo ano. Sob o ponto de vista do melhoramento, a mudança de dreno para fonte é indesejável e muitas das variedades melhoradas possuem mutações que bloqueiam essa transição. O processo de transição de um órgão de um estágio de dreno para um de fonte deve envolver a interrupção do descarregamento (Fig. 16). Em plantas com descarregamento simplástico, um possível mecanismo de transição seria o fechamento de plasmodesmas ou mesmo uma diminuição de sua freqüência. Um bom modelo para se estudar a mudança dreno-fonte são as próprias folhas (Fig. 16), pois essas são heterotróficas no começo de seu desenvolvimento e depois se tornam produtoras de assimilados. Em geral, quando

25 25 uma folha já se expandiu 50% ela pode ser considerada uma fonte, pois exporta mais do que consome. No futuro, o isolamento dos genes que se expressam diferencialmente durante a mudança de fase de dreno para fonte nas folhas pode fornecer importantes subsídios para uma manipulação biotecnológica desse processo. VIII- BIBLIOGRAFIA ADAMS, P. Mineral nutrition. In: ATHERTON, J. G. & RUDICH, J. (Eds.) The tomato crop: a scientific basis for improvement. London, Chapman and Hall, p AUKERMAN, M. J. & AMASINO, R. M. Floral induction and florigen. Cell, 93: , CHETELAT, R. T.; DEVERNA, J. W. & BENNET, A. B. Introgression into tomato (Lycopersicon esculentum) of the L.chmielewskii sucrose accumulator gene (sucr) controlling fruit sugar composition. Theoretical and Applied Genetics, 91: , DICKINSON, C. D.; ALTABELLA, T.; CHRISPEELS, M. J. Slow-growth phenotype of transgenic tomato expressing apoplastic invertase. Plant Physiology, 95: , FROMMER, W. B.; SONNEWALD, U. Molecular analysis of carbon partition in solanaceous species. Journal of Experimental Botany, 46: , GAN, S. & AMASINO, R. M. Inhibition of leaf senescence by autoregulated production of cytokinin. Science, 270: , GIFFORD, R. M.; THORNE, J. H.; HITZ, W. D. & GIAQUINTA, R. T. Crop produtivity and photoassimilate patitioning. Science, 225: , KIM, M.; CANIO, W.; KESSLER, S. & SINHA, N. Developmental changes due to long-distance movement of a homeobox fusion transcript in tomato. Science, 293: , MANN, C. Crop scientists seek a new revolution. Science, 283: , OPARKA, K. J. & SANTA CRUZ, S. The great escape: phloem transport and unloading of macromolecules. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 51: , 2000.

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