Entrada e transporte de água na raiz

Transcrição

1 1/17 Entrada e transporte de água na raiz Carlos Henrique Britto de Assis Prado 1, Lis Schwartz Miotto 2, Luciane Pivetta 2, Marlei Leandro de Mendonça 2 1 Professor Associado do Departamento de Botânica, Universidade Federal de São Carlos, São Paulo, Brasil, Alunas do curso de graduação, Ciências Biológicas, Universidade Federal de São Carlos A água gravitacional que percola o solo pode passar o sistema radicular e se dirigir ao lençol freático longe das raízes. Só a água capilar que permanece nos capilares do solo é a útil para absorção e manutenção de um balanço hídrico positivo (Figura 1). Quando o solo se apresenta extremamente seco os espaços vazios estão sem água e resta somente água firmemente aderida em volta das partículas sólidas (Figura 1). Essa água adsorvida na superfície das partículas é denominada de água higroscópica, a planta não consegue absorver essa água (Figura 1). A água higroscópica só pode ser retirada da superfície das partículas quando o solo é seco em estufa sob temperatura igual ou superior a 150 C. Portanto, uma porção reduzida da água do solo está significativamente disponível para a planta. Se a água capilar estiver em capilares com diâmetro médio ou grande no solo (geralmente > 0,15 µm) a planta poderá retirar essa água com certa facilidade. Para calcular a força com que um capilar do solo segura a água podemos utilizar uma fórmula simples (Larcher, 2000):

2 2/17 Ψsolo = - 0,290 D -1 (MPa) (I) Onde: Ψsolo = energia livre da água no solo D = diâmetro médio dos capilares que retêm água no solo (µm) MPa = mega Pascal, 1 MPa = cerca de 10 atmosferas Figura 1 Durante a secagem do solo a fase atmosférica aumenta e o volume da solução do solo diminui proporcionalmente. O volume da fase sólida (volume de partículas sólidas) permanece o mesmo durante a secagem. Conforme ocorre a diminuição da fase líquida a água fica presa em capilares cada vez menores. A água gravitacional, a água capilar e a água higroscópica estão presentes desde o início da secagem do solo, somente a água higroscópica é que permanece em solos extremamente secos ao ar livre. A água capilar é a água útil para a manutenção de um balanço hídrico positivo na planta. Desenho:Carlos Henrique Britto de Assis Prado & Luciane Pivetta.

3 3/17 O sinal negativo na fórmula (I) acima é devido à diminuição da energia livre da água aderida na parede interna do capilar. Se os capilares no solo que estão retendo água apresentam um diâmetro médio de 0,2 µm, então a água está retida sob tensão de -1,45 MPa (fórmula I). Esse é um valor de referência importante, pois valores de energia livre da água no solo menores que -1,5 MPa podem causar dificuldade significativa para a absorção de água pelas raízes em muitas espécies cultivadas. Os poros na parede celular são bem mais finos que 0,2 µm. Esses poros na parede são tão finos que o diâmetro é expresso em nanômetros e não em micrometros (1 nm = 0,001 µm). O valor médio do diâmetro dos poros da parede celular dos pêlos radiculares do rabanete (Raphanus sativus) e das fibras do algodoeiro (Gossypium hirsutum) está entre 3,5-3,8 nm. Para as células em cultura do plátano bastardo (Acer pseudiplatanus) esse valor está entre 3,8-4,0 nm, e para células isoladas do parênquima paliçádico do carrapicho (Xanjhthium strumarium) e da tradescantia (Commelina communis), entre 4,5-5,2 nm (Carpita et al. 1979). Fazendo o cálculo para um diâmetro médio de 4 nm (0,004 µm) utilizando a fórmula (I) obtemos a energia livre da água no capilar: Ψparede = - 0,290 x 0,004-1 (MPa) Ψparede = - 72,5 (MPa) O valor da energia livre da água de -72,5 MPa na parede celular é muito menor do que -1,5 MPa para a situação da água retida em capilares com diâmetro de 0,2 µm no solo. Como a água vai do local de maior para o local de

4 4/17 menor energia livre a tendência é a água sair do solo e entrar na parede celular. No entanto, há dois problemas que restringem fortemente a absorção de água em solos secos. Em solos extremamente secos a água higroscópica fica retida nas superfícies das partículas (areia, silte e argila) apresentando uma energia livre de -300 MPa (Salisbury & Ross, 1992). Nem mesmo os mais finos capilares da parede celular poderiam extrair essa água higroscópica. Por outro lado, em um solo parcialmente seco a parede celular pode estar embebida e continuar retirando água desse solo, mas o protoplasto (citoplasma mais vacúolo) pode não conseguir extrair água da parede celular. Para exercer os benefícios múltiplos no metabolismo celular o estado da água deve ser líquido e a água deve se localizar no protoplasto (volume celular contido pela plasmalema). Principalmente no protoplasto a água líquida pode ser utilizada como meio de reação ou participar diretamente de uma reação metabólica na célula vegetal. Mas o protoplasto não é uma estrutura de celulose, hemicelulose, pectina e eventualmente lignina como é a parede celular. O protoplasto é um ambiente molecular muito diferente da parede e composto essencialmente de biomembranas, sais, íons, água, lipídios, proteínas, e outras macromoléculas geralmente solúveis. Esse volume celular não suporta valor de energia livre da água menor que -5,0 MPa. Quando a parede celular apresentar capilares vazios menores que 0,06 µm o valor da energia livre da água na parede celular será menor que -5,0 MPa (fórmula I) e o protoplasto não será capaz de apresentar valor menor para ganhar água da parede celular que o envolve. A energia livre da água (Ѱ) no protoplasto não é controlada por poros e sim por solutos e pela pressão mecânica da parede celular. O componente

5 5/17 positivo da energia livre da água no protoplasto é a pressão de parede e o componente negativo é o potencial osmótico. Conforme a pressão de parede aumenta ocorre um aumento proporcional da energia livre da água (Ψ), ou seja, os valores de Ψ ficam mais próximos de zero no protoplasto sob pressão. De maneira inversa, quando a parede celular relaxa a pressão diminui e ocorre uma diminuição do valor de Ψ no protoplasto. Portanto, é possível aumentar ou diminuir a energia livre da água no protoplasto por meio do relaxamento ou rigidez da parede celular. Proteínas na parede podem ser ativadas para enfraquecer as interações entre as fibras de celulose relaxando a parede e diminuindo o valor de Ψ no protoplasto. Dessa forma, sob menor pressão e com menor valor de Ψ o protoplasto poderá receber mais facilmente a água da parede celular. Outra forma de diminuir a energia livre da água no protoplasto é por meio do aumento de concentração de moléculas osmoticamente ativas (moléculas com pólos ou cargas) no citoplasma e no vacúolo, e que não sejam tóxicas para o metabolismo celular. A despolimerização do amido resultando em glicose ou a despolimerização de proteínas resultando em aminoácidos (principalmente prolina) é uma forma de diminuir o valor do potencial osmótico no citoplasma e forçar a retirada da água da parede celular. A água da parede celular não se difunde para o citosol do citoplasma atravessando livremente as biomembranas e nem entra por meio de um carregador ou de uma bomba de água. A água da parede celular atravessa a plasmalema por meio de um canal denominado de aquaporina. As aquaporinas são canais de água que podem estar abertos quando fosforilados ou fechados quando desfosforilados. Por meio da fosforilação a célula pode controlar o grau

6 6/17 de permeabilidade para a água na biomembrana e facilitar a entrada de água retida na parede celular. A situação da água que poderá embeber a parede celular da epiderme da raiz é dinâmica, pois a fase líquida do solo pode mudar rapidamente por meio de irrigação, chuva ou inundação. Quando a fase líquida é alterada a fase gasosa do solo acompanha a alteração, pois os gases da atmosfera rapidamente ocupam os espaços vazios (Figura 1). A raiz pode estar em contato simultâneo com as 3 fases do solo: a líquida, a gasosa e a sólida (Figura 2). Do pêlo radicular na epiderme até os dutos no cilindro central a água passa pelo apoplasto e pelo simplasto. A via apoplasmática é a via externa ao protoplasto, é a via da embebição. Na via apoplasmática a água é atraída pelos capilares das paredes celulares e segue de parede em parede até as bandas de Caspary (Figura 3). Sob pouca disponibilidade hídrica no solo e transpiração reduzida o transporte de água ocorre mais intensamente na via apoplasmática que na simplasmática (Figura 3). Sob condição de boa disponibilidade de água e transpiração elevada a condutividade hidráulica da raiz aumenta por meio da fosforilação e conseqüente abertura dos poros aquosos (as aquaporinas) nas biomembranas. Com as aquaporinas abertas a intensidade do transporte de água pela via simplasmática pode ser semelhante ao da apoplasmática (Figura 3).

7 7/17 Figura 2 - Na interface solo-raiz há competição pela água por duas matrizes, a matriz extracelular (parede celular) e a matriz composta pelas partículas sólidas inorgânicas (areia, silte e argila) e orgânicas (matéria orgânica particulada) do solo. A água geralmente sai do solo e passa para a parede celular devido à diferença de potencial hídrico entre o solo e a parede das células da epiderme. Os poros da parede celular são bem mais finos que os poros do solo que apresentam água. Se o solo secar demasiadamente só restará água em capilares muito finos e a raiz terá dificuldade em retirar água do solo. Note que o pêlo radicular pode entrar em contato simultaneamente com as fases líquida, gasosa e sólida do solo. Desenho: Luciane Pivetta.

8 8/17 A embebição na parede celular das células da epiderme e do parênquima cortical é um meio geralmente sem barreiras hidrofóbicas para a água e íons chegarem até a banda de Caspary na exoderme ou na endoderme (Figura 3). Esse conjunto das paredes celulares serve como via de tráfego no transporte de curta distância no sentido radial da raiz, de célula em célula, desde a epiderme até as bandas de Caspary. Pode haver logo abaixo da epiderme (na hipoderme) a formação de uma banda de Caspary com suberização causando uma diminuição significativa na intensidade de transporte de água pela via apoplasmática da epiderme até a endoderme (Figura 3). Quando presente, a hipoderme suberizada é denominada de exoderme. A exoderme pode ser mais suberizada sob estresse hídrico ou deficiência de O 2 impedindo o refluxo de água, íons e O 2 do córtex para o solo.

9 Publicado em dezembro de Todos os diretos reservados 9/17 Figura 3 Movimento radial da água (linhas azuis) desde o solo até o xilema no cilindro central da raiz. (A) Transpiração reduzida, o transporte de água ocorre mais intensamente na via apoplasmática (linha espessa) que na simplasmática (linha fina). (B) Transpiração elevada sob condições de boa disponibilidade de água. A condutividade hidráulica da raiz é aumentada pela abertura dos poros aquosos (aquaporinas) nas biomembranas e a intensidade do transporte de água pela via simplasmática pode ser semelhante ao da via apoplasmática. Tecidos indicados na base da figura: Exoderme (Ex) com banda de Caspary (Bc); Epiderme (Ep) com pêlos por onde entram mais intensamente água e solutos; Córtex (Co) formado por células parenquimáticas funcionalmente independente do parênquima que envolve o xilema; Endoderme (Ed) com bandas de Caspary; Periciclo (Pe) camada de células que originam as raízes secundárias; Parênquima que envolve o xilema (Px) e secreta ativamente íons para o lúmen das células condutoras. Células específicas em cada tecido: Células condutoras do xilema (Xi); Célula de passagem com menor suberização nas paredes anticlinais (Cp); Células condutoras do Floema (Fl). Estruturas celulares: Parede anticlinal radial (Ar), Parede anticlinal transversal (At); Banda de Caspary (Bc). A partir de indicações de Steudle & Peterson (1998) e Steudle (2005). Desenho: Ricardo Degani.

10 Publicado em dezembro de Todos os diretos reservados 10/17 A suberina depositada na exoderme e na endoderme é uma substância hidrofóbica (Figura 4). Tanto na endoderme como na exodermee a suberização é realizada entre as fibrilas de celulose nas paredes celulares dispostas em ângulo reto (anticlinais) em relação à superfície da epiderme. As paredes anticlinais radiais e anticlinais transversais da endoderme e da exoderme podem apresentar menor grau de suberização em algumas células denominadas células de passagem (Cp, Figura 3). Nessas células há menor resistência para a embebição e passagem de água em direção ao cilindro central da raiz. Portanto, a endoderme e a exoderme são barreiras com resistências variáveis no tempo (grau de suberização) e no espaço (algumas células menos suberizadas) ao tráfego de água e de íons na matriz extracelular. Essa via que utiliza o apoplasto desde a epiderme até a endoderme para o tráfego de íons e água é denominada de via apoplasmática. Figura 4 Estrutura molecular da suberina, substância impermeável à água e gases encontrada nas paredes anticlinais radiais e transversais da endoderme e eventualmente na hipoderme da raiz formando a exoderme. A suberina é o principal componente da banda de Caspary. Note a porção aromática com cadeias fechadas de carbono (fenol) e a porção alifática com cadeias abertas de carbono. A porção alifática confere o caráter apolar e hidrofóbico da molécula. Modificado a partir de Heldt (2004). Desenho: Ricardo Degani.

11 11/17 De forma não excludente a água pode seguir desde o pêlo radicular atravessando a plasmalema (membrana plasmática) através da aquaporina e caminhar de célula em célula por meio de pequenos poros, os plasmodesmata. Portanto, as células vegetais apresentam interconexões por meio dos plasmodesmata (Figura 5). O singular de plasmodesmata é plasmodesma. Essa via de transporte de água pelo citosol de célula em célula é denominada de via simplasmática. Os citoplasmas conectados por plasmodesmata representam um compartimento metabólico interligado onde a água poderá exercer suas principais funções na célula. As ligações citoplasmáticas por plasmodesmata são entre por célula, mais de 10 5 por milímetro quadrado de parede celular. Uma única célula pode ter o equivalente a 1% de sua área externa como poros de plasmodesmata. Essas conexões entre células vegetais permitem não só a passagem de água e íons solvatados, mas também de substâncias de até 900 kda, sendo permeáveis também aos açúcares, aminoácidos e nucleotídeos (Heldt, 2004). O diâmetro do duto dos plasmodesmata é de cerca de 40 nm. A parede do plasmodesma é forrada pelas membranas plasmáticas das células adjacentes e o interior do pequeno duto de ligação entre as células está preenchido pela projeção do retículo endoplasmático das duas células vizinhas e por proteínas (Figura 5). Portanto, a água e os solutos passam entre biomembranas do duto do plasmodesma desviando das partículas de proteínas. Essa via de citoplasma em citoplasma através dos plamodesmata é denominada de simplasmática. A via apoplasmática utiliza parte do apoplasto (a parede celular) e a via simplasmática utiliza parte do simplasto (o citosol)

12 Publicado em dezembro de Todos os diretos reservados 12/17 para o transporte de água de célula em célula desde o solo até os dutos do xilema no cilindro central da raiz. Figura 5 Estrutura de um conectando plasmodesma células vizinhas. (A) Vista lateral de um corte longitudinal. plasmalema. continuação PL CC = = do citoplasma. PP = proteína ancorada na plasmalema. DE = desmotúbulo. PD = proteína ancorada no desmotúbulo. CP = conexão protéica. RE = retículo endoplasmático. RC = região de constrição. CA = cavidade central. O tráfego de substâncias entre células vizinhas pode ocorrer tanto via CC como via DE. (B) Corte transversal na alturaa mediana do plasmodesma. Um bastão de proteína (BP) pode preencher o desmotúbulo (aindaa incerto). Modificado a partir de Roberts & Oparka (2003) e de Heldt (2004). Desenho: Ricardo Degani.

13 13/17 O contínuo esvaziamento dos capilares nas paredes das células do parênquima que envolve o xilema (Px, Figura 3) cria uma tensão de sucção nessa região apoplasmática. Essa tensão envolta dos dutos do xilema é causada pela sucção da copa. Ao contrário das células dos dutos do xilema (Xi, Figura 3) as células do parênquima xilemático são células vivas (Px, Figura 3). Essas células eliminam continuamente substâncias osmoticamente ativas para dentro do lúmen do duto condutor. Dessa forma, a água do duto xilemático na altura da raiz apresenta alta concentração de substâncias osmoticamente ativas e, conseqüentemente, reduzida energia livre. A água tende a caminhar via apoplasma e simplasma para as células do duto condutor no xilema devido ao valor reduzido de energia livre no seu lúmen. Esse transporte de curta distância é resultado da sucção da copa e da contínua eliminação de solutos do parênquima cortical do xilema para os elementos condutores (de Px para Xi, Figura 3). Ao contrário do que se imaginava no início dos estudos sobre o carregamento do xilema com íons esse evento é realizado ativamente pelas células do parênquima que envolve o xilema (Px, Figura 3). Não há uma transferência por simples difusão de íons das células que envolvem o xilema para os elementos condutores no cilindro central da raiz. Todos os tipos de facilitadores do transporte através de biomembrana já foram detectados nessas células parenquimáticas: canais iônicos, carregadores e bombas (Figura 6). As bombas de prótons H + tipo P na plasmalema (P-H + -ATPases) são particularmente expressas nas células que envolvem os dutos do xilema.

14 14/17 Figura 6 - Transporte através da plasmalema nas células parenquimáticas que envolvem o xilema. (A) Ao contrário da suberina na exoderme e na endoderme a plasmalema é permeável aos gases (lado esquerdo da figura). A simples difusão do íon através da biomembrana da célula do parênquima para o duto do xilema é pouco provável. Canais iônicos (B), carregadores (C) e bombas (D) já foram detectados na plasmalema das células do parênquima que envolvem os dutos do xilema. A parede celular não foi representada. Desenho: Ricardo Degani. Com uma menor energia livre no lúmen das células condutoras a água do parênquima vizinho do xilema tende a entrar nessas células criando pressão hidrostática positiva. Essa pressão na raiz é capaz de empurrar a coluna de água em direção à copa, mas com uma força relativamente menor que a

15 15/17 causada pela sucção da folhagem. A pressão da raiz e a sucção da folhagem na copa não são excludentes. É possível verificar esse empurrão da raiz em plantas mono e dicotiledôneas herbáceas, como no milho e no feijoeiro, respectivamente. Plantas de milho ou de feijoeiro bem irrigadas apresentam evidente empurrão de seiva bruta em direção contrária à força de gravidade. A saída da seiva bruta do caule sem copa pode ser visualizada na altura do corte após cerca de 7 minutos por meio de uma gota que cresce sobre o corte (Figura 7). A concentração de íons nas células do parênquima que envolve o xilema (Px, Figura 3) é muito maior que no parênquima cortical entre a epiderme e a endoderme (Co, Figura 3). Portanto, há uma grande disponibilidade de solutos para o carregamento do xilema nas células do parênquima que envolve o tecido condutor. Isso demonstra a eficiência da endoderme em evitar o refluxo de íons para a região cortical da raiz pela via apoplasmática. Essa eficiência pode ser perdida temporariamente quando as raízes laterais iniciam seu crescimento a partir do periciclo (Pe, Figura 3) rompendo a endoderme, o córtex e a epiderme para alcançar o solo. Após a banda de Caspary na endoderme (Ed, Figura 3) a água segue novamente pela via apoplasmática e pela via simplasmática atravessando o periciclo e o parênquima xilemático (Pe e Px, respectivamente, Figura 3). O caminho unidirecional no sentido epiderme-cilindro central pela via simplasmática ou pela apoplasmática ocorre devido ao gradiente de potencial hídrico entre células. A água no apoplasma segue molhando as paredes que estão mais secas, por exemplo, onde os capilares estão sendo esvaziados continuamente nas paredes dos feixes condutores do xilema no cilindro central

16 16/17 (Xi, Figura 3). A água no simplasma segue pelos plasmodesmata em direção ao parênquima xilemático, ou seja, para região de maior concentração de solutos a serem liberados nos lúmens das células condutoras. Figura 7 Caules de milho (A) e de feijoeiro (B) de plantas crescendo sobre solo em vaso irrigado até capacidade de campo. Os caules foram cortados na altura de aproximadamente 2 cm da superfície do solo. Após 7 minutos é possível observar o início da formação de uma gota de seiva bruta na altura do corte. Em um dos caules do milho (caule à direita em A) a pressão da massa de água rompeu a gota e a água escorreu sobre o caule. Fotos: Carlos Henrique Britto de Assis Prado. Síntese A competição por água ocorre entre raiz (uma matriz orgânica) e o solo (matriz essencialmente inorgânica). Portanto, a água no solo pode não estar prontamente disponível para a planta. Quando a raiz consegue retirar água do solo esse evento é iniciado na parede celular da epiderme. A água da parede pode seguir via apoplasto até os feixes condutores no cilindro central ou entrar no simplasto por meio de aquaporinas na plasmalema. No apoplasto e no simplasto a água caminha em direção aos dutos do xilema no cilindro central

17 17/17 da raiz obedecendo uma diferença de potencial hídrico causada pela sucção da copa e pelo contínuo bombeamento de substâncias osmoticamente ativas nos condutores xilemáticos. Na via apoplasmática há barreiras mecânicas na exoderme e na endoderme para o transporte de água devido à suberização das paredes anticlinais das células. Há resistência para a entrada de água na via simplasmática devido à composição lipídica da plasmalema. Pela via simplasmática a água caminha através dos plasmodesmata desde a epiderme até os condutores no cilindro central. As vias apoplasmática e simplasmática se complementam no transporte de água de curta distância na raiz. O gradiente de potencial hídrico da epiderme até os condutores de água no xilema pode ser implementado por meio da sucção da copa, do empurrão da raiz e dos ajustes celulares osmóticos e de pressão de parede. Referências Carpita N, Sabularse D, Montezinos D, Delmer DP. (1979) Determination of the pore size of cell walls of living plant cells. Science. 205: Heldt Hans-Walter (2004) Plant Biochemistry. Elsevier, Amsterdam, 630 p. Larcher, W (2000) Ecofisiologia Vegetal. Rima, São Carlos, 513 p. Salisbury FB, Ross CW (1992) Plant Physiology, Wadsworth Publishing Company, 682 p. Steudle E (2003) uptake of water by plant roots, p In: Physiologiccal plant ecology, W. Larcher, Springer, New York. Steudle E, Peterson CA (1998) How does water get through roots? Journal Experimental of Botany. 49: