ESTADOS ENERGÉTICOS E TIPOS DE ÁGUA NA SEMENTE 1

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1 79 ESTADOS ENERGÉTICOS E TIPOS DE ÁGUA NA SEMENTE 1 FRANCISCO AMARAL VILLELA 2 e JÚLIO MARCOS-FILHO 3 RESUMO - O estado da água apresenta papel fundamental nos diferentes estádios de desenvolvimento e na germinação da semente. O presente trabalho interpreta, a partir dos Princípios da Termodinâmica, os conceitos de potenciais hídrico, de pressão, osmótico e matricial na semente. Conforme suas propriedades termodinâmicas são descritos os diferentes tipos de água na semente e os efeitos correspondentes no seu comportamento fisiológico. Termos para indexação: potencial hídrico, fisiologia de sementes, níveis de hidratação. ENERGETICS STATUS AND TYPES OF WATER IN THE SEED ABSTRACT - The water status play a fundamental role during of seed development and germination. According to thermodynamic principles, the present paper interpret water, pressure, osmotic and matric potentials. The different types of water in seed are described based on their thermodynamic properties. The effect of types of water on physiological seed performance is discussed. Index terms: water potential, seed physiology, hydration levels. INTRODUÇÃO Para a maioria das espécies ortodoxas, o estado da água apresenta um papel regulador no desenvolvimento e na germinação da semente, sobretudo nos estádios críticos do crescimento (Westgate, 1994). O teor de água do zigoto após a fertilização do óvulo, em geral, excede 80%, declinando de forma gradual durante o desenvolvimento da semente até a maturidade fisiológica. O período de dessecação, para muitas espécies, é um evento normal no desenvolvimento do embrião, levando a um estado de metabolismo quiescente, que se interpõe entre o desenvolvimento e a germinação. Dependendo do grau de dessecação, a semente entra em criptobiose, quando o intercâmbio de matéria e energia entre a semente e o ambiente circundante atinge níveis e velocidades especialmente baixos. Nas espécies recalcitrantes, as sementes podem passar da fase de desenvolvimento para a germinativa, sem que ocorra o 1 Aceito para publicação em Prof. Adjunto, Depto. de Fitotecnia - UFPel/FAEM, , Pelotas- RS; bolsista do CNPq. 3 Prof. Titular, Depto. de Agricultura - USP/ESALQ, , Piracicaba- SP; bolsista do CNPq. período de quiescência, motivado pela redução da sensibilidade e/ou do nível de ácido abscísico (Kermode, 1995). A embebição da semente madura não dormente, ocasiona a reativação do sistema metabólico existente, suplementado pela síntese de novos compostos, que levam novamente à expansão e à divisão celular (Labouriau, 1983 e Kermode, 1995), culminando com o reinício do crescimento intra-seminal do embrião e a protrusão da raíz primária. A seqüência de modificações no teor de água da semente vem se constituindo em parâmetro relativamente eficiente para caracterizar o desenvolvimento da semente, empregado, com freqüência, na determinação da maturidade fisiológica. Entretanto, tem se mostrado inadequado para indicar o estado fisiológico da água durante o desenvolvimento das sementes, uma vez que não fornece informações sobre a disponibilidade hídrica ou seu estado energético. Na produção vegetal, a água desempenha papel fundamental, de maneira que sua deficiência ou seu excesso afeta de forma decisiva o crescimento e o desenvolvimento das plantas. Em particular, na semente, o conhecimento do estado da água é essencial para o estudo do desenvolvimento e da germinação. Além disso, as relações hídricas podem fornecer subsídios para explicar o comportamento fisiológico de sementes. O presente trabalho objetivou apresentar uma revisão crítica do conceito de potencial hídrico e dos tipos de água na semente, relacionando com o comportamento fisiológico das sementes.

2 8 0 F.A. VILLELA & J.MARCOS-FILHO RELAÇÕES HÍDRICAS EM SEMENTES O teor de água da semente na retomada do crescimento embrionário é, em geral, similar ao da maturidade fisiológica. Todavia, ao longo do processo de embebição, o embrião/eixo embrionário absorve água a uma velocidade superior à do tecido de reserva. Desta forma, diferentes estruturas da semente não apresentam, necessariamente, concentrações semelhantes de água, o que poderá explicar a ocorrência de germinação, em determinadas situações, quando o teor de água da semente é inferior ao da maturidade fisiológica. Conforme McDonald et al. (1988 e 1994), o teor de água na semente representa a média de concentração em toda a semente, embora possam existir variações entre suas estruturas. Um aspecto importante a considerar é o fato de que, sob uma determinada condição ambiental, o teor de água nas sementes com predominância de reservas cotiledonares ser maior no eixo embrionário do que nos cotilédones e, nas endospermáticas, mais elevado no embrião em relação ao endosperma (Marcos-Filho, 1986). Assim, por exemplo, no reinício do crescimento embrionário, a semente de milho atinge teor de água de 30-35%, enquanto o embrião e o endosperma alcançam, respectivamente, 50-55% e 25-30% (McDonald et al., 1994). Por outro lado, a semente de soja apresenta 60-65%, embora o eixo embrionário e os cotilédones cheguem, respectivamente, a 70-80% e 55-60% (McDonald et al., 1988). Estas variações resultam das diferenças, quanto ao tamanho e à composição química, entre endosperma/cotilédones e o embrião/eixo embrionário. De forma genérica, as espécies apresentam, conforme o cultivar e as condições ambientais reinantes, diferenças apreciáveis no teor de água na maturidade fisiológica. Por outro lado, segundo Egli & Tekrony (1997), o potencial hídrico do embrião ou do eixo embrionário não apresenta variações acentuadas entre as espécies no final da maturação ou no início da germinação (protrusão da raíz primária), conforme mostra a Tabela 1, o que evidencia a ação regulatória do estado da água no desenvolvimento da semente. O potencial hídrico do embrião/eixo embrionário permanece relativamente constante durante grande parte da fase de enchimento da semente, decresce rapidamente com a aproximação da maturidade fisiológica e, a partir daí, continua a declinar conforme as condições ambientais e as barreiras físicas ao movimento da água da semente para o ar atmosférico (Westgate, 1994 e Egli & Tekrony, 1997). Assim, Bradford (1994), Kermode (1995) e Egli & TeKrony (1997), considerando a similaridade de potenciais hídricos de embrião e de eixo embrionário na maturidade fisiológica e na germinação, sugerem que o estado da água possa representar uma função reguladora no desenvolvimento e na germinação da semente. TABELA 1. Estado da água na maturidade fisiológica e na germinação (protrusão da raiz primária) de sementes de milho, soja e trigo (adaptado de Egli & Tekrony, 1997). Espécie Maturidade fisiológica Teor de água 1 (%) Potencial hídrico 2 (MPa) POTENCIAL HÍDRICO Germinação Teor de água 1 (%) Potencial hídrico 2 (MPa) Milho 37,7-1,61 33,2-2,20 Soja 59,0-1,52 51,4-2,07 Trigo 43,7-1,66 34,5-2,20 1 Teor de água da semente, expresso em base úmida. 2 Potencial hídrico do embrião (milho e trigo) e eixo embrionário (soja). A água na semente pode ser caracterizada por um estado de energia. A energia potencial, uma função da posição relativa e condição interna da água nas diferentes partes de um sistema, vem sendo utilizada para a determinação desse estado. Dentre as funções energéticas, denominadas potenciais termodinâmicos, especial interesse existe em relação à energia livre de Gibbs, que expressa a máxima energia disponível para a realização de trabalho, pela conveniência na descrição do estado de energia da água. É uma função de ponto dependente somente do estado do sistema, de maneira que por independer do processo, sua variação pode ser determinada para o processo mais conveniente (Salisbury & Ross, 1992 e Reichardt, 1996). O potencial total da água no sistema solo-semente-atmosfera representa a energia livre de Gibbs específica. Desta forma, o potencial hídrico é uma grandeza intensiva que pode ser apresentada nas formas de energia por unidade de volume, de massa ou de peso. A energia por unidade de volume possui dimensões físicas de pressão, em conseqüência, o potencial hídrico pode ser expresso em unidades de medida de pressão (Villela et al., 1991). O Segundo Princípio da Termodinâmica estabelece que qualquer sistema somente pode evoluir de forma espontânea para estados em que ocorra diminuição da energia livre de Gibbs. Assim sendo, o potencial total da água permite verificar a ocorrência ou não de equilíbrio hídrico num sistema, bem como prever a orientação do fluxo espontâneo da água, segundo um gradiente negativo de potencial hídrico (Labouriau, 1983). De modo a obter uma abordagem geral dos fenômenos em que a água participa no solo, na semente e na atmosfera, surge a necessidade de uma medida do potencial hídrico que seja, de acordo com o princípio da superposição, uma função aditiva de diversos termos, cada um representando um tipo de interação entre as moléculas de água e outros constituintes.

3 81 Nas sementes, os processos ocorrem sob condições constantes de temperatura e posição, tornando nulos os potenciais de temperatura e gravitacional. Assim, o potencial hídrico (Ψ) pode ser expresso pela soma de três componentes: de pressão (Ψp), osmótico (Ψs) e matricial (Ψm). Ψ = Ψp + Ψs + Ψm O potencial de pressão, também denominado potencial de turgor, é determinado pela pressão exercida pela parede celular sobre o conteúdo celular, quando a célula está turgida (Bewley & Black, 1994). A matriz, o material com superfícies hidrofílicas (por exemplo, proteínas e polissacarídeos), apresenta, nas interfaces interações com a água, envolvendo forças capilares e de adsorção, resultando no potencial matricial ou mátrico (Salisbury & Ross, 1992). O potencial osmótico, também denominado potencial de soluto, é condicionado pelas ligações entre a água e os solutos. A presença de solutos causa diminuição da energia livre de Gibbs do solvente. Em vista disso, a energia potencial da água na presença de solutos é inferior à energia da água pura, considerada padrão, de forma que é atribuído o valor nulo ao potencial osmótico neste estado de referência (Labouriau, 1983 e Reichardt, 1996). É importante ressaltar que as membranas celulares são semi-permeáveis, permitindo a passagem da água, sendo, entretanto, seletivas ao trânsito de diversos íons, dependendo de sua integridade. A Termodinâmica das Soluções estabelece o potencial osmótico de uma solução diluída através da expressão Ψ s = RT Lna 1, Vi onde R é a constante universal dos gases ideais; T é a temperatura absoluta; V i é volume parcial molar da água e a i é a atividade da água. A atividade de água que expressa uma concentração corrigida para soluções muito diluídas, pode ser substituída pelo produto entre o coeficiente de atividade e a concentração (Reichardt, 1996). A medida dos potenciais hídricos pode ser obtida por vários métodos, conforme o material e a finalidade da medida. Dentre os mais empregados, é válido destacar os métodos de pressão de vapor (psicrômetro), do ponto de congelamento e do volume constante. Em virtude da precisão e exatidão, o método da pressão de vapor vem sendo empregado para a determinação do potencial hídrico em sementes. É importante enfatizar que um sistema hídrico atinge o equilíbrio quando a variação de potencial é igual a zero, ou seja, o potencial é igual em todas as partes do sistema, embora o teor de água possa variar de um ponto para outro. Deste modo, uma parte da semente pode ser introduzida numa pequena câmara isovolumétrica com ar, mantida sob temperatura constante (sistema isolado) e, após o equilíbrio ter sido alcançado, o potencial hídrico pode ser determinado. De acordo com a lei de Raoult, a pressão de vapor de soluções perfeitas é proporcional a fração molar do solvente, o que permite escrever a expressão de potencial hídrico, na forma: RT Ln p Ψ = Vi po onde p é a pressão parcial de vapor da água e p o é a pressão parcial do vapor saturante da água (Labouriau, 1983 e Salisbury & Ross, 1992). Considerando a definição de umidade relativa p UR(%) = x 100, p o é possível verificar que o potencial hídrico decresce de forma rápida com a diminuição da umidade relativa. Sob o ponto de vista da planta no solo, o intervalo útil de umidades relativas situa-se entre 99% (-1,36MPa) e 100% (0MPa). Por outro lado, as medidas precisam ser obtidas em ambiente a temperatura constante, porque pequenas alterações ocasionam variações acentuadas na umidade relativa e, consequentemente, no potencial hídrico. Para sementes mantidas em ambientes à pressão atmosférica, o potencial osmótico da água na semente é sempre negativo, em virtude da presença de solutos, bem como o potencial matricial, devido à presença de colóides nas células das sementes, onde as forças capilares e de adsorção não podem ser negligenciadas. Em conseqüência, o potencial hídrico da semente e de suas diferentes estruturas é sempre negativo. NÍVEIS DE HIDRATAÇÃO E COMPORTAMENTO FISIOLÓGICO DE SEMENTES Em sementes, a natureza e a forma de ligação da água afetam o estado fisiológico das células (Vertucci & Farrant, 1995). Uma análise do comportamento da semente sob o ponto de vista termodinâmico exige o conhecimento das propriedades da água, cujas alterações discretas que ocorrem num potencial químico específico denominam-se mudanças de fase. Numa semente, a análise das propriedades da água é complexa, visto que, conforme suas propriedades termodinâmicas, são observados diferentes tipos de água que podem representar

4 8 2 F.A. VILLELA & J.MARCOS-FILHO estados de equilíbrio (líquido e cristalino) e não-equilíbrio (vítreo) e caracterizar fases distintas (Vertucci, 1990). A fase vítrea ou estado vítreo representa um líquido superviscoso, cuja reversão ao estado de equilíbrio ocorre de forma lenta, o que caracteriza a estabilidade cinética, mas não termodinâmica (Franks, 1982). As propriedades superficiais das macromoléculas, particularmente as protéicas pelo interesse fisiológico, são modificadas pelo nível de hidratação. As proteínas, compostos orgânicos constituídos de polímeros de aminoácidos, apresentam múltiplos sítios de sorção de água. As ligações das moléculas de água às proteínas ocorrem através de grupos iônicos e polares, estes últimos pela formação de ligações - hidrogênio da molécula de água com hidroxila, imina, amina, carboxila e carbonila. Estas múltiplas formas de ligação condicionam a conformação da proteina, ou seja, sua estrutura secundária e terceária (Labouriau, 1983). Assim sendo, as diferentes formas de interação modificam de maneira significativa as propriedades da água, bem como, das macromoléculas. As interações superficiais água-proteína variam conforme a região da macromolécula, ocasionando variações discretas nas propriedades da água nos tecidos das sementes, que variam conforme o nível de hidratação (Williams & Leopold, 1989 e Vertucci, 1990). De acordo com o modelo dos múltiplos sítios de sorção de água pelas macromoléculas, Vertucci (1990 e 1993) e Vertucci & Farrant (1995) descrevem cinco tipos de água. O tipo 1 caracteriza a água ligada quimicamente por grupos iônicos, sendo importante para a manutenção da integridade estrutural das macromoléculas (água estrutural). Ocorre em teores de água, expressos em base úmida, inferiores a 7,5% (Y < -150MPa), sendo observadas pequena atividade enzimática e aceleração da deterioração pela desestabilização da estrutura protéica, acúmulo de subprodutos do metabolismo (radical livre), peroxidação de lipídios e perda de função da membrana celular, causada pelas transições de fase e/ou segregação de vários componentes de seus constituintes (Rockland, 1969; Vertucci & Leopold, 1987; Vertucci & Roos, 1990 e Bruni & Leopold, 1992). A água tipo 2 interage com sítios hidrofílicos da proteína e apresenta características do estado vítreo. O teor de água está compreendido entre 7,5% (-150MPa) e 20% (-11MPa) e verifica-se a ocorrência de determinadas reações catabólicas sob a ação de enzimas (Vertucci & Roos, 1990 e Vertucci, 1993). Há também a considerar o acentuado aumento na intensidade respiratória de sementes ortodoxas, sobretudo a partir de 14 a 16% de água, dependendo da temperatura. A água ligada, constituída pelos tipos 1 e 2, em princípio, não sofre solidificação, em razão da formação dos estados vítreos, em temperaturas abaixo do ponto de congelamento da água pura. A água tipo 3, com capacidade para umedecer as macromoléculas, forma pontes com sítios hidrofóbicos de macro-moléculas, sendo observada entre teores de água de 20% (-11MPa) e 33% (-4MPa). Nos teores correspondentes à água tipo 3 ocorrem atividades catabólicas significativas, havendo consumo de substâncias de reserva e produção de toxinas (radicais livres). Em potenciais hídricos inferiores a -3MPa cessa a síntese protéica e o processo de reparo torna-se inoperante (Dell Aquila, 1992). Vale lembrar que a total remoção da água tipo 3 é letal para a grande maioria das sementes recalcitrantes maduras (Pammenter et al., 1991 e Vertucci, 1993). É importante destacar que os teores de água relativos aos tipos 1, 2 e 3 de água são afetadas pela composição química da semente e temperatura, entre outros fatores. A água tipo 4 apresenta propriedades similares a uma solução concentrada de água e pode ser identificada pela baixa temperatura de solificação. Sua ocorrência verifica-se entre teores de água de 33% (-4MPa) e 41% (-1,5MPa), ocupando, possivelmente, poros ou capilares e não interagindo diretamente com a superfície das proteínas. Neste nível de hidratação ocorrem determinados processos de biossíntese, necessários à germinação, como a síntese protéica. A remoção da água tipo 4 causa a morte de embriões imaturos e de plântulas. A água tipo 5 tem comportamento semelhante a uma solução diluída de água e pode ser considerada água livre. Sua ocorrência é observada em teores de água superiores a 41% (> -1,5MPa). Com a remoção da água tipo 5, os tecidos não apresentam crescimento (Mc Intyre, 1987) e há alterações nos padrões de síntese de ácidos nucléicos e proteínas (Dell Aquila & Spada, 1992). O estado da água afeta a natureza e a cinética das reações metabólicas, levando a crer que os mecanismos da deterioração de sementes diferem para cada nível de hidratação da semente durante o armazenamento. CONCLUSÕES Os resultados de pesquisa evidenciam que o potencial hídrico da semente ou de suas estruturas possa constituir-se num melhor indicador do estado da água do que o teor de água. Por outro lado, existem fortes evidências que o mecanismo da deterioração da semente varia conforme o nível de hidratação das sementes armazenadas.

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