Implicações da manutenção ou perda da clorofila na tolerância à dessecação de tecidos vegetativos... por Saulo de Tarso Aidar - Versão HTML

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Universidade de São Paulo

Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”

Implicações da manutenção ou perda da clorofila na tolerância à dessecação

de tecidos vegetativos de Anemia flexuosa (Schizaeaceae) e Pleurostima

purpurea (Velloziaceae)

Saulo de Tarso Aidar

Tese apresentada para obtenção do título de

Doutor em Ciências, Área de Concentração:

Fisiologia e Bioquímica de Plantas

Piracicaba

2010

Saulo de Tarso Aidar

Bacharel em Ciências Biológicas

Implicações da manutenção ou perda da clorofila na tolerância à dessecação de tecidos

vegetativos de Anemia flexuosa (Schizaeaceae) e Pleurostima purpurea (Velloziaceae)

Orientador:

Prof. Dr. SÉRGIO TADEU MEIRELLES

Tese apresentada para obtenção do título de Doutor

em Ciências, Área de Concentração: Fisiologia e

Bioquímica de Plantas

Piracicaba

2010

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação

DIVISÃO DE BIBLIOTECA E DOCUMENTAÇÃO - ESALQ/USP

Aidar, Saulo de Tarso

Implicações da manutenção ou perda da clorofila na tolerância à dessecação de tecidos

vegetativos de Anemia flexuosa (Schizaeaceae) e Pleurostima purpurea (Velloziaceae) / Saulo

de Tarso Aidar. - - Piracicaba, 2010.

171 p. : il.

Tese (Doutorado) - - Escola Superior de Agricultura “Luiz de Queiroz”, 2010.

1. Clorofila 2. Ecofisiologia vegetal 3. Fotossíntese 4. Plantas vasculares 5. Seca - Resistência 6

Tecidos vegetais I. Título

CDD 584.29

A288i

“Permitida a cópia total ou parcial deste documento, desde que citada a fonte – O autor”

3

Às serras brasileiras, redutos de formas de vida

impressionantes que desafiam nosso entendimento

e reservam fontes preciosas de conhecimento.

4

5

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer a todas as pessoas simples e sinceras que com suas idéias e posturas pude despertar

para aprendizados e compreensões muito gratificantes, e melhorar sempre no conhecimento e na

sabedoria.

À Cris, minha companheira: as figuras bonitas deste estudo foram gentilmente preparadas por ela para

conquistar o leitor;

À minha família inteira e, como são muitos, incluo todos como sendo um: Waldyr, Shirley, Sérgio,

Tampa, Dimas, Shirlinha, Ciro e respectivas esposas que considero irmãs e seus filhos que considero

irmãozinhos, não apenas sobrinhos;

A todos que me hospedaram carinhosamente em suas residências quando tive que realizar parte do

trabalho fora da cidade em que resido, possibilitando que eu pudesse me sentir em casa: Dr. Maurício

Chiareli, Ciro e Paula, Tatiana Vetillo.

Aos meus amigos do dia-a-dia, uma família presente. Sempre dispostos a melhorar a amizade e tornar a

vida mais interessante com boas conversas e propostas difíceis de recusar mesmo trabalhando na tese

(pescaria e travessias sobre serras): Aranha e Camila, Alê, Adolfo, Seizo, Caio e Paula. Tenho mais

amigos sim, mas estes podem ficar para o pós-doc;

Aos amigos dos laboratórios, de Piracicaba e São Paulo, que sempre estiveram dispostos a melhorar ainda

mais o que já gostamos de fazer em nossos projetos: Cecílio, Gabriel, Fran, Rogério, Olidan, Ruggero,

Joyce, Davi.

Não menos importantes por serem os últimos citados, agradeço meus orientadores de quem sou

admirador. Tudo começou em 1998 quando conheci o Dr. Sérgio T. Meirelles, desde então, meu

entendimento pela tolerância à dessecação se iniciou. Mais tarde germinei sementes tolerantes à

dessecação com o Dr. Massanori Takaki. Em seguida, impus déficit hídrico em feijão com o Dr. Gustavo

M. Souza que me abriu portas para continuar meus estudos na pós-graduação, onde pude cultivar

velloziaceas in vitro com o Dr. Antônio N. Gonçalves e estudar fisiologia do estresse com o Dr. Ricardo

F. de Oliveira. Terminado o mestrado, tive todas as condições necessárias disponibilizadas pelo Ricardo e

pelo Sérgio para estudar com tranqüilidade durante o doutorado. Agora, no final deste ciclo, de tudo que

ficou, agradeço principalmente pelo aprendizado e conhecimento, o maior bem com o qual vocês

poderiam contribuir.

À CAPES e à FAPESP pelo concedimento da bolsa de pesquisa.

6

7

SUMÁRIO

RESUMO .............................................................................................................................. 13

ABSTRACT .......................................................................................................................... 15

LISTA DE ILUSTRAÇÕES ................................................................................................. 17

LISTA DE TABELAS .......................................................................................................... 21

1

INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 23

1.1

Considerações gerais ................................................................................................... 29

1.2

Teoria celular da tolerância à dessecação ................................................................... 30

1.3

Fotossíntese e respiração de plantas tolerantes à dessecação ...................................... 32

1.4

Foto-oxidação e fotoinibição fotossintética ................................................................ 33

1.5

Mecanismos de proteção contra a luz ......................................................................... 34

1.6

Distribuição de Anemia flexuosa e Pleurostima purpurea, observações sobre os

ambientes de ocorrência natural de peciloclorófilas e homeoclorófilas, e condições de

cultivo .................................................................................................................................... 36

1.6.1

Distribuição de Anemia flexuosa ............................................................................. 36

1.6.2

Distribuição de Pleurostima purpurea .................................................................... 37

1.6.3

Observações sobre os ambientes de ocorrência natural de peciloclorófilas e

homeoclorófilas ..................................................................................................................... 37

1.6.4

Condições de cultivo ............................................................................................... 38

1.7

Argumentação e hipótese de estudo ............................................................................ 38

2

DESENVOLVIMENTO ................................................................................................. 41

2.1

Revisão Bibliográfica .................................................................................................. 41

2.1.1

Tolerância à dessecação em homeoclorófilas .......................................................... 41

2.1.2

Peciloclorófilas ........................................................................................................ 52

2.2

Materiais e métodos .................................................................................................... 56

8

2.2.1

Experimento 1: Indução da desidratação, manutenção no estado dessecado e

reidratação de plantas intactas de Pleurostima purpurea e Anemia flexuosa sob condições

controladas ............................................................................................................................. 56

2.2.1.1

Material vegetal .................................................................................................... 56

2.2.1.2

Condições e fases experimentais .......................................................................... 56

2.2.1.3

Uso de presilhas para a manutenção da exposição foliar às condições luminosas

especificadas .......................................................................................................................... 58

2.2.1.4

Indução da desidratação, manutenção no estado dessecado e reidratação ........... 59

2.2.1.5

Metodologia de avaliação do efeito da luz durante a desidratação, dessecação e

reidratação das plantas ........................................................................................................... 60

2.2.1.5.1

Trocas gasosas e fluorescência da clorofila ...................................................... 60

2.2.1.5.2

Conteúdo relativo de água foliar e do substrato ............................................... 62

2.2.1.5.3

Conteúdo de pigmentos fotossintéticos ............................................................ 63

2.2.1.5.4

Microscopia eletrônica de varredura ................................................................ 64

2.2.1.6

Amostragem experimental ................................................................................... 64

2.2.1.7

Forma de análise dos resultados ........................................................................... 65

2.2.2

Experimento 2: Indução da desidratação e dessecação de plantas intactas de Oryza

sativa sob condições ambientais variáveis de casa de vegetação .......................................... 66

2.2.2.1

Material vegetal .................................................................................................... 66

2.2.2.2

Condições e fases experimentais .......................................................................... 66

2.2.2.3

Indução da desidratação das plantas ..................................................................... 67

2.2.2.4

Metodologia de avaliação da desidratação e dessecação das plantas ................... 67

2.2.2.4.1

Trocas gasosas, fluorescência da clorofila, conteúdo relativo de água foliar e do

substrato, conteúdo de pigmentos fotossintéticos, e microscopia eletrônica de varredura .... 67

2.2.2.5

Amostragem experimental ................................................................................... 68

2.2.2.6

Forma de análise dos resultados ........................................................................... 68

9

2.2.3

Experimento 3: Indução da desidratação e dessecação de folhas destacadas de

plantas túrgidas de Pleurostima purpurea, Vellozia candida, Anemia flexuosa e Oryza

sativa. 69

2.2.3.1

Material vegetal ................................................................................................... 69

2.2.3.2

Condições e fases experimentais ......................................................................... 69

2.2.3.3

Indução da desidratação ....................................................................................... 69

2.2.3.4

Metodologia de avaliação da desidratação e dessecação foliar ........................... 69

2.2.3.4.1

Trocas gasosas .................................................................................................. 69

2.2.3.5

Amostragem experimental ................................................................................... 70

2.2.3.6

Forma de análise dos resultados .......................................................................... 70

2.3

Resultados ................................................................................................................... 71

2.3.1

Pleurostima purpurea .............................................................................................. 71

2.3.1.1

Superfícies foliares .............................................................................................. 71

2.3.1.2

Conteúdo relativo de água ................................................................................... 72

2.3.1.3

Conteúdo de pigmentos fotossintéticos ............................................................... 73

2.3.1.4

Trocas gasosas durante a desidratação de folhas destacadas de Pleurostima

purpurea e Vellozia candida ................................................................................................ 75

2.3.1.5

Trocas gasosas em plantas intactas de Pleurostima purpurea ............................. 77

2.3.1.6

Fluorescência da clorofila de amostras acondicionadas à luz e eficiência quântica

efetiva dos fotossistemas II ................................................................................................... 79

2.3.1.7

Coeficientes de extinção fotoquímica e não-fotoquímica da fluorescência......... 83

2.3.1.8

Fluorescência da clorofila de amostras acondicionadas ao escuro e eficiência

quântica potencial dos fotossistemas II ................................................................................. 85

2.3.2

Anemia flexuosa ....................................................................................................... 87

2.3.2.1

Superfícies foliares .............................................................................................. 87

2.3.2.2

Conteúdo relativo de água ................................................................................... 88

10

2.3.2.3

Conteúdo de pigmentos fotossintéticos ................................................................ 89

2.3.2.4

Trocas gasosas durante a desidratação de folhas destacadas de Anemia flexuosa 91

2.3.2.5

Trocas gasosas em plantas intactas de Anemia flexuosa ...................................... 93

2.3.2.6

Fluorescência da clorofila de amostras acondicionadas à luz e eficiência quântica

efetiva dos fotossistemas II .................................................................................................... 96

2.3.2.7

Coeficientes de extinção fotoquímica e não-fotoquímica da fluorescência ......... 99

2.3.2.8

Fluorescência da clorofila de amostras acondicionadas ao escuro e eficiência

quântica potencial dos fotossistemas II ................................................................................ 101

2.3.2.8.1

Tratamentos de desidratação na luz ................................................................ 101

2.3.2.8.2

Tratamentos de desidratação no escuro .......................................................... 102

2.3.3

Oryza sativa ........................................................................................................... 107

2.3.3.1

Superfícies foliares ............................................................................................. 107

2.3.3.2

Conteúdo relativo de água .................................................................................. 108

2.3.3.3

Conteúdo de pigmentos fotossintéticos .............................................................. 108

2.3.3.4

Trocas gasosas durante a desidratação de folhas destacadas de Oryza sativa ... 110

2.3.3.5

Trocas gasosas em plantas intactas de Oryza sativa .......................................... 112

2.3.3.6

Fluorescência da clorofila de amostras acondicionadas à luz e eficiência quântica

efetiva dos fotossistemas II .................................................................................................. 114

2.3.3.7

Coeficientes de extinção fotoquímica e não-fotoquímica da fluorescência ....... 117

2.3.3.8

Fluorescência da clorofila de amostras acondicionadas ao escuro e eficiência

quântica potencial dos fotossistemas II ................................................................................ 119

2.4

Discussão ................................................................................................................... 121

2.4.1

Balanço hídrico ...................................................................................................... 121

2.4.1.1

Controle do processo de desidratação dos tecidos foliares ................................ 121

2.4.1.2

Reidratação de plantas intactas........................................................................... 125

2.4.2

Balanço de CO2, uso e dissipação da luz ............................................................... 127

11

2.4.2.1

Diminuição da assimilação líquida de CO2 e manutenção das vias fotoquímica e

não-fotoquímica durante a desidratação .............................................................................. 127

2.4.2.2

Respiração de dessecação .................................................................................. 130

2.4.3

Potencial aparente de uso da luz e conteúdo de clorofila durante as fases de

desidratação, dessecação e recuperação .............................................................................. 133

2.4.3.1

Diminuição do potencial aparente de uso da luz em Anemia flexuosa durante as

fases de desidratação e dessecação ...................................................................................... 136

2.4.3.1.1

Efeitos da exposição à luz durante as fases de desidratação e dessecação sobre

a fluorescência da clorofila .................................................................................................. 137

2.4.3.1.2

Efeitos da exposição ao escuro contínuo durante as fases de desidratação e

dessecação sobre a fluorescência da clorofila ..................................................................... 137

2.4.3.1.3

Efeitos da exposição à luz exclusivamente durante a fase de dessecação sobre a

fluorescência da clorofila..................................................................................................... 138

2.4.3.2

Recuperação do potencial de uso da luz após a reidratação de Anemia flexuosa

140

2.4.3.3

Trocas gasosas e funcionamento fotoquímico durante a fase de reidratação de

Pleurostima purpurea e Anemia flexuosa ........................................................................... 142

3

CONSIDERAÇÕES FINAIS ....................................................................................... 145

3.1

Conclusão .................................................................................................................. 147

REFERÊNCIAS .................................................................................................................. 149

ANEXO ............................................................................................................................... 161

12

13

RESUMO

Implicações da manutenção ou perda da clorofila na tolerância à dessecação de tecidos

vegetativos de Anemia flexuosa (Schizaeaceae) e Pleurostima purpurea (Velloziaceae)

O objetivo deste estudo foi identificar características de uso da luz para explicar a

distribuição diferencial das espécies tolerantes à dessecação homeoclorófila Anemia flexuosa e

peciloclorófila Pleurostima purpurea em ambientes sombreados e expostos, respectivamente, de

comunidades vegetais de afloramentos rochosos. A cultivar Oryza sativa IAC 202 foi incluída

para comparações. Durante um ciclo completo de desidratação - dessecação - reidratação foram

avaliados parâmetros fotossintéticos de trocas gasosas e fluorescência da clorofila a, associados

ao conteúdo relativo de água (CRA) e de pigmentos fotossintéticos de plantas intactas sob

temperatura e umidade relativa do ar constantes de 25°C e de 55%, respectivamente. As plantas

foram submetidas à diferentes densidades de fluxo de fótons fotossintéticos (DFFF de 0, 100 e

400 µmol fótons m-2s-1) nas fases de desidratação e dessecação, dependendo da espécie. O. sativa

foi avaliada somente durante as fases de desidratação e dessecação sob condições ambientais

variáveis de casa de vegetação. A diminuição da assimilação líquida de CO2 (A) foi

acompanhada pelo aumento da dissipação de calor avaliada pelos coeficientes de extinção não-

fotoquímica (qN e NPQ) nas três espécies. Após cessação de A, a eficiência quântica efetiva

(ФPSII e Fv‟/Fm‟), a taxa de transporte de elétrons (ETR) e o coeficiente de extinção

fotoquímica (qP) foram mantidos relativamente altos em P.purpurea, mas cessaram

simultaneamente com A em A.flexuosa. Em O.sativa, ФPSII, ETR e qP diminuíram

substancialmente após a cessação de A, mas Fv‟/Fm‟ foi mantido. A eficiência quântica potencial

(Fv/Fm) foi a última variável a diminuir nas três espécies durante a desidratação. Após a

reidratação de P.purpurea e A.flexuosa foi observado inicialmente o estabelecimento da

respiração e em seguida um balanço levemente positivo de CO , quando os valores de Fv‟/Fm‟,

2

ФPSII, ETR, qP e Fv/Fm de P.purpurea recuperaram quase totalmente, enquanto qN e NPQ

diminuíram. A.flexuosa apresentou uma recuperação apenas parcial de Fv‟/Fm‟, ФPSII, ETR, qP

e Fv/Fm quando o balanço de CO2 se tornou levemente positivo, tendo sido a recuperação ainda

menor para o tratamento de desidratação no escuro associado à dessecação na luz. A.flexuosa

tolerou a perda de 88% do CRA. O enrolamento foliar durante a desidratação é uma forma de

proteção contra a luz no estado dessecado de A.flexuosa. Mesmo no estado dessecado ocorrem

processos de interação dos fotossistemas II com a luz em A.flexuosa. P.purpurea baseia sua

proteção contra a luz na ativação de processos de dissipação de calor, vias de consumo de

elétrons diferentes do ciclo redutivo do CO2 e, em última instância, na perda de clorofilas. Plantas

dessecadas de P.purpurea permanecem viáveis no estado desidratado por pelo menos 42 dias.

P.purpurea tolerou a perda de 94% do CRA. A recuperação do turgor da parte aérea de

P.purpurea ocorre necessariamente pela absorção de água pelas raízes durante a reidratação. Foi

evidenciada uma aclimatação de A.flexuosa quando desidratada sob condição de luz. Os

resultados não foram conclusivos em relação à sustentação da hipótese, considerando que as

diferenças de recuperação observadas para A.flexuosa nos diferentes tratamentos luminosos, em

geral, não foram significativas.

Palavras-chave: Homeoclorófila, Peciloclorófila, Fotoproteção, Resistência à seca

14

15

ABSTRACT

Implications of maintaining or loss of chlorophyll in vegetative desiccation tolerance of

Anemia flexuosa (Schizaeaceae) and Pleurostima purpurea (Velloziaceae)

The aim of this study was to identify characteristics of light use that could explain the

differential distribution of homoiochlorophyllous and poikilochlorophyllous desiccation tolerant

plants Anemia flexuosa and Pleurostima purpurea, respectively, in shaded and exposed

microsites of rock outcrop plant communities. Oryza sativa IAC 202 was included in the study

for comparisons. Leaf gas exchanges, fluorescence chlorophyll, relative water content (RWC)

and photosynthetic pigment content were evaluated in intact plants under constant temperature

and relative humidity of 25°C and 55%, respectively, during a complete cycle of dehydration –

desiccation – rehydration. The plants were exposed to different photosynthetic photon flux

densities (PPFD of 0, 100 and 400 µmol photons m-2s-1) during dehydration and desiccation

phases, according to species. O.sativa was evaluated only during dehydration and desiccation

phases under variable environmental conditions in a greenhouse. In all species, the decrease in

CO2 net assimilation (A) was accompanied by increased heat dissipation assessed by non-

photochemical quenching coefficients (qN and NPQ). The effective quantum yield (ФPSII and

Fv‟/Fm‟), electron transport rate (ETR) and photochemical quenching coefficient (qP) were kept

relatively high after A cessation in P.purpurea, but in A.flexuosa ceased simultaneously with A.

In O.sativa, ФPSII, ETR and qP decreased substantially after A cessation, but Fv‟/Fm‟ was

maintained. The potential quantum yield (Fv/Fm) was the last variable to decrease during

dehydration in all species. After rehydration, the establishment of respiration was observed

initially in P.purpurea and A.flexuosa. Then, a slightly positive CO2 balance was associated with

the almost total recovery of Fv‟/Fm‟, ФPSII, ETR, qP and Fv/Fm in P.purpurea, while qN and

NPQ decreased. A.flexuosa showed only a partial recovery of Fv‟/Fm‟, ФPSII, ETR, qP and

Fv/Fm when the CO2 balance became slightly positive, and recovery was even lower for the

treatment of dehydration in dark associated to desiccation in light. A.FLEXUOSA

TOLERATES A LOSS OF 88% OF RWC. Leaf curling during dehydration is also a form of

light protection in the dried state in A.flexuosa. Interactions between photosystem II and light

occur even in the dried state of A.flexuosa. P.purpurea bases its protection against light activating

heat dissipation process, ways of electron consumption different of reductive CO2 cycle and, in

last instance, chlorophyll loss. P.purpurea remains viable in dried state for at least for 42 days,

and tolerates a loss of 94% of RWC. The shoot rehydration in P.purpurea occurs necessarily by

roots water uptake. A.flexuosa showed an acclimation when dried under light conditions. The

results were not conclusive regarding the hypothesis, since differences in recovery observed for

this species in the different light treatments, in general, were not significant.

Keywords: Homoiochlorophyllous, Poikilochlorophyllous, Photoprotection, Resistance

16

17

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 - Distribuição de espécies em função de classes de tamanho de ilhas de solo sobre

afloramentos rochosos ................................................................................................ 28

Figura 2 – Aspecto de Pleurostima purpurea durante as fases de desidratação e reidratação. ..... 71

Figura 3 – Imagens de microscopia eletrônica de varredura de Pleurostima purpurea. ............... 72

Figura 4 - Conteúdo relativo de água (CRA, %) do sistema substrato-planta e foliar durante os

processos foliares de desidratação, dessecação e reidratação de Pleurostima purpurea.

.................................................................................................................................... 73

Figura 5- Conteúdo de clorofila a (Ca, µgg-1), clorofila b (Cb, µgg-1), e carotenóides totais (Cx+c,

µgg-1) em função do tempo (dias) durante os processos foliares de desidratação,

dessecação e reidratação de Pleurostima purpurea. .................................................. 74

Figura 6 - Monitoramento contínuo da condutância estomática (gs, mol H2O m-2s-1), transpiração

(E, mol H2O m-2s-1) e assimilação de CO2 (A, µmol CO2 m-2s-1) em função da

radiação fotossinteticamente ativa (RFA, µmol fótons m-2s-1) de uma folha de

Pleurostima purpurea e de Vellozia candida desde o estado intacto até a completa

desidratação após seu destacamento da planta.. ......................................................... 76

Figura 7- Assimilação de CO2 (A, µmol CO2 m-2s-1), condutância estomática (gs, mol H2O m-2s-

1), e transpiração (E, mol H2O m-2s-1 ) em função do tempo (dias) durante os

processos foliares de desidratação, dessecação e reidratação de Pleurostima purpurea

sob DFFF de 400 µmol m-2s-1 e 100 µmol m-2s-1 durante o período luminoso

fotoperiódico.. ............................................................................................................ 78

Figura 8 - Fluorescência em estado de equilíbrio dinâmico (Fs), fluorescência máxima (Fm‟), e

fluorescência basal (Fo‟) de amostras acondicionas à luz em função do tempo (dias)

durante os processos foliares de desidratação, dessecação e reidratação de

Pleurostima purpurea sob DFFF de 400 µmol m-2s-1 e 100 µmol m-2s-1 durante o

período luminoso fotoperiódico. ................................................................................ 81

Figura 9 - Eficiência quântica efetiva do fotossistema II com envolvimento de Fo‟ (Fv‟/Fm‟),

eficiência quântica efetiva do fotossistema II sem envolvimento de Fo‟ (ФPSII), e

taxa aparente de transporte de elétrons (ETR) de amostras acondicionas à luz em

função do tempo (dias) durante os processos foliares de desidratação, dessecação e

reidratação de Pleurostima purpurea sob DFFF de 400 µmol m-2s-1 e 100 µmol m-2s-1

durante o período luminoso fotoperiódico. ................................................................ 82

Figura 10 - Coeficiente de extinção fotoquímica (qP) e coeficientes de extinção não-fotoquímica

da fluorescência qN e NPQ em função do tempo (dias) durante os processos foliares

de desidratação, dessecação e reidratação de Pleurostima purpurea sob DFFF de 400

µmol m-2s-1 e 100 µmol m-2s-1 durante o período luminoso fotoperiódico. ............... 84

18

Figura 11 - Fluorescência basal (Fo), fluorescência máxima (Fm), e eficiência quântica potencial

do fotossistema II (Fv/Fm) de amostras pré-acondicionas ao escuro em função do

tempo (dias) durante os processos foliares de desidratação, dessecação e reidratação

de Pleurostima purpurea sob DFFF de 400 µmol m-2s-1 e 100 µmol m-2s-1 durante o

período luminoso fotoperiódico. ................................................................................. 86

Figura 12 – Aspecto de Anemia flexuosa durante as fases de desidratação e reidratação. ............ 87

Figura 13 – Imagens de microscopia eletrônica de varredura de Anemia flexuosa. ...................... 88

Figura 14 - Conteúdo relativo de água (CRA, %) do sistema substrato-planta e foliar em função

do tempo (dias) durante os processos foliares de desidratação, dessecação e

reidratação de Anemia flexuosa.. ................................................................................ 89

Figura 15 - Conteúdo de clorofila a (Ca, µgg-1), clorofila b (Cb, µgg-1), e carotenóides totais (Cx+c,

µgg-1) em função do tempo (dias) durante os processos foliares de desidratação,

dessecação e reidratação de Anemia flexuosa.. ........................................................... 90

Figura 16 - Monitoramento contínuo da condutância estomática (gs, mol H2O m-2s-1),

transpiração (E, mol H2O m-2s-1) e assimilação de CO2 (A, µmol CO2 m-2s-1) em

função da radiação fotossinteticamente ativa (RFA, µmol fótons m-2s-1) de uma folha

de Anemia flexuosa desde o estado intacto até a completa desidratação após seu

destacamento da planta. .............................................................................................. 92

Figura 17 - Assimilação de CO2 (A, µmol CO2 m-2s-1), condutância estomática (gs, mol H2O m-2s-

1), e transpiração (E, mol H2O m-2s-1) em função do tempo (dias) durante os

processos foliares de desidratação, dessecação e reidratação de Anemia flexuosa.. .. 95

Figura 18 -Fluorescência em condições de equilíbrio dinâmico (Fs), fluorescência máxima (Fm‟),

e fluorescência mínima (Fo‟) de amostras pré-acondicionadas à luz em função do

tempo (dias) durante os processos foliares de desidratação, dessecação e reidratação

de Anemia flexuosa. .................................................................................................... 97

Figura 19 - Eficiência quântica efetiva do fotossistema II com envolvimento de Fo‟ (Fv‟/Fm‟),

eficiência quântica efetiva do fotossistema II sem envolvimento de Fo‟ (ФPSII), e

taxa aparente de transporte de elétrons (ETR) de amostras acondicionas à luz em

função do tempo (dias) durante os processos foliares de desidratação, dessecação e

reidratação de Anemia flexuosa.. ................................................................................ 98

Figura 20 Coeficiente de extinção fotoquímica (qP) e coeficientes de extinção não-fotoquímica

da fluorescência qN e NPQ em função do tempo (dias) durante os processos foliares

de desidratação, dessecação e reidratação de Anemia flexuosa.. .............................. 100

Figura 21 - Fluorescência basal (Fo), fluorescência máxima (Fm), e eficiência quântica potencial

do fotossistema II (Fv/Fm) de amostras pré-acondicionadas ao escuro em função do

tempo (dias) durante os processos foliares de desidratação, dessecação e reidratação

de Anemia flexuosa. .................................................................................................. 104

19

Figura 22 - Fluorescência basal (Fo), fluorescência máxima (Fm), e eficiência quântica potencial

do fotossistema II (Fv/Fm) de amostras pré-acondicionadas ao escuro em função do

tempo (dias) durante os processos foliares de desidratação, dessecação e reidratação

de Anemia flexuosa.. ................................................................................................ 105

Figura 23- fluorescência basal (Fo), fluorescência máxima (Fm), e eficiência quântica potencial

do fotossistema II (Fv/Fm) de amostras pré-acondicionadas ao escuro em função do

tempo (horas) durante o processo de reidratação de Anemia flexuosa.. ................... 106

Figura 24 – Aspecto de Oryza sativa na condição inicial hidratada e imagem de microscopia

eletrônica de varredura mostrando o enrolamento foliar da folha desidratada. ....... 107

Figura 25 - Estômatos circundados por papilas epicuticulares de cera de diferentes formas nas

superfícies superior e inferior de Oryza sativa (IAC 202). ...................................... 108

Figura 26 - Conteúdo relativo de água (CRA, %) do sistema substrato-planta e foliar em função

do tempo (dias) durante os processos foliares de desidratação e dessecação de Oryza

sativa (IAC 202). ...................................................................................................... 109

Figura 27 - Conteúdo de clorofila a (Ca, µgg-1), e clorofila b (Cb, µgg-1) em função do tempo

(dias) durante os processos foliares de desidratação e dessecação de Oryza sativa

(IAC 202).. ............................................................................................................... 109

Figura 28 - Monitoramento contínuo da condutância estomática (gs, mol H2O m-2s-1),

transpiração (E, mol H2O m-2s-1) e assimilação de CO2 (A, µmol CO2 m-2s-1) em

função da radiação fotossinteticamente ativa (RFA, µmol fótons m-2s-1) de uma folha

de Oryza sativa (IAC 202) desde o estado intacto até a completa desidratação após

seu destacamento da planta. ..................................................................................... 111

Figura 29 - Assimilação de CO2 (A, µmol CO2 m-2s-1), condutância estomática (gs, mol H2O m-2s-

1), e transpiração (E, mol H2O m-2s-1 ) em função do tempo (dias) durante os

processos foliares de desidratação e dessecação de Oryza sativa (IAC 202). ......... 113

Figura 30 - Fluorescência em condições de equilíbrio dinâmico (Fs), fluorescência máxima

(Fm‟), e fluorescência mínima (Fo‟) de amostras pré-acondicionadas à luz em função

do tempo (dias) durante os processos foliares de desidratação e dessecação de Oryza

sativa (IAC 202). ...................................................................................................... 115

Figura 31 - Eficiência quântica efetiva do fotossistema II com envolvimento de Fo‟ (Fv‟/Fm‟),

eficiência quântica efetiva do fotossistema II sem envolvimento de Fo‟ (ФPSII), e

taxa aparente de transporte de elétrons (ETR) de amostras acondicionas à luz em

função do tempo (dias) durante os processos foliares de desidratação e dessecação de

Anemia flexuosa. ...................................................................................................... 116

Figura 32 Coeficiente de extinção fotoquímica (qP) e coeficientes de extinção não-fotoquímica

da fluorescência qN e NPQ em função do tempo (dias) durante os processos foliares

de desidratação e dessecação de Oryza sativa (IAC 202). ....................................... 118

20

Figura 33 - Fluorescência basal (Fo), fluorescência máxima (Fm), e eficiência quântica potencial

do fotossistema II (Fv/Fm) de amostras pré-acondicionadas ao escuro em função do

tempo (dias) durante os processos foliares de desidratação e dessecação de Oryza

sativa (IAC 202). ...................................................................................................... 120

Figura 34– Representação do balanço de CO2 durante um ciclo completo de desidratação e

reidratação em Anemia flexuosa e Pleurostima purpurea de acordo com os resultados

obtidos e dados de literatura. A compensação de CO2 de dessecação seria um modelo

contrastante ao previsto para tolerantes à dessecação modificadas .......................... 132

21

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – DFFF fornecida durante o período luminoso fotoperiódico para as espécies

Pleurostima purpurea e Anemia flexuosa nas diferentes fases experimentais. ..... 56

22

23

1 INTRODUÇÃO

Durante todo seu ciclo de vida, as plantas terrestres vasculares cultivadas devem ser

mantidas sob condições próximas da plena hidratação de seus tecidos, entre outros fatores

ambientais adequados, para desempenhar as atividades do metabolismo foliar sem

comprometimento de sua sobrevivência. Na falta de água por tempo prolongado, a maioria não

sobrevive, sendo a perda das folhas um efeito comum deste processo de morte gradual dos

tecidos. Tais plantas são denominadas homeohídricas (HAMBLER, 1961; WALTER;

STADELMAN, 1968), pois devem manter seu conteúdo de água estável e elevado durante todas

as fases de desenvolvimento de seus tecidos foliares para garantir a estabilidade e a continuidade

do desenvolvimento. Suportam uma condição de seca moderada com um conjunto de

mecanismos ativos para evitar a perda de água de seus tecidos vivos, a exemplo do controle

estomático e o ajuste osmótico. No entanto, a intensificação da desidratação protoplasmática

nestas plantas, após certo limite, causa efeitos irreversíveis que não permitem a recuperação de

seus tecidos foliares após a reidratação. Desta forma, tais plantas são consideradas sensíveis à

dessecação, processo compreendido pela desidratação extrema em nível protoplasmático

(LEVITT, 1980).

No entanto, o limite de desidratação protoplasmática pode variar entre as plantas

terrestres, havendo um grupo capaz de conservar a integridade celular básica de seus tecidos

vegetativos e recuperar todas as suas funções normais após um ciclo completo de dessecação e

reidratação de suas partes vegetativas, com a conservação viável das folhas no estado dessecado

também conhecido como anabiose (LEVITT, 1980). Estas plantas, por sua vez, são denominadas

pecilohídricas (HAMBLER, 1961; WALTER; STADELMAN, 1968), pois são capazes de

apresentar um conteúdo de água variável de seus tecidos vegetativos ao longo de seu

desenvolvimento sem que isto provoque danos irreparáveis aos mesmos. Também são conhecidas

como tolerantes à dessecação (BEWLEY, 1979; BEWLEY; KROCHKO, 1982) no sentido de

Levitt (1980), ou “resurrection plants” (GAFF, 1971), que na língua portuguesa poderia ser

traduzido como “plantas revivescentes”.

A tolerância à dessecação é encontrada em diferentes grupos taxonômicos, incluindo

procariotos e eucariotos, como bactérias, algas, fungos, líquenes, briófitas, pteridófitas e

angiospermas, além de alguns animais invertebrados (BEWLEY; KROCHKO, 1982; OLIVER;

BEWLEY, 1997). Além de tecidos vegetativos e outros organismos uni e pluricelulares

24

anteriormente mencionados, o processo de tolerância à dessecação é verificado em sementes

ortodoxas (WILLIAMS; LEOPOLD, 1989; VERTUCCI; FARRANT, 1995), podendo também

ocorrer em grãos de pólen e esporos (BEWLEY; KROCHKO, 1982; OLIVER; BEWLEY, 1997).

As gimnospermas formam o único grupo de plantas em que a tolerância à dessecação não é

encontrada em tecidos vegetativos, embora possuam sementes tolerantes à dessecação (OLIVER;

BEWLEY, 1997).

O processo de tolerância à dessecação em tecidos vegetativos envolve mecanismos de

proteção e de reparo contra efeitos que diferentes fatores potenciais de estresse poderiam causar

durante a desidratação e a reidratação (BEWLEY; OLIVER, 1992). A proporção entre

mecanismos de proteção e de reparo que pode ser encontrada em plantas tolerantes à dessecação

parece depender da velocidade de desidratação a que seus tecidos vegetativos estão sujeitos

(OLIVER, 1996; OLIVER; BEWLEY, 1997).

Algas, líquenes e briófitas tolerantes à dessecação, em geral, não apresentam mecanismos

eficientes de impedimento à perda de água de seus tecidos, exibindo um rápido equilíbrio de seu

conteúdo interno de água com o potencial de água de um ambiente seco (OLIVER; BEWLEY,

1997). Nestes grupos, a tolerância à dessecação é fundamentada, principalmente, na indução de

mecanismos de reparo durante a reidratação (OLIVER; BEWLEY, 1997), embora algumas

briófitas também possam apresentar mecanismos de proteção que são ativados durante a

desidratação (OLIVER, 1996). Desta maneira, em algas, líquenes e briófitas, os mecanismos

responsáveis pela conferência da tolerância à dessecação são, preponderantemente, constitutivos.

Mecanismos constitutivos seriam aqueles que se encontrariam funcionais nos tecidos

independentemente da necessidade de ativação durante a desidratação. Por este motivo, algas,

líquenes e briófitas tolerantes à dessecação são denominadas “totalmente tolerantes à dessecação”

(“fully desiccation tolerant”, OLIVER, 1996), pois, em um sentido geral, independem da indução

de mecanismos de proteção.

Pteridófitas e angiospermas tolerantes à dessecação não suportam uma rápida

desidratação de seus tecidos vegetativos (GAFF, 1977; BARTELS et al., 1990; OLIVER;

BEWLEY, 1997). A tolerância à dessecação em tecidos vegetativos de pteridófitas e

angiospermas, por sua vez, parece ser fundamentada, preponderantemente, na ativação de

mecanismos de proteção durante a desidratação, embora mecanismos de reparo também possam

ocorrer durante a reidratação (BEWLEY; KROCHKO, 1982; BARTELS et. al., 1990; BEWLEY;

25

OLIVER, 1992; OLIVER, 1996; OLIVER; WOOD; O‟MAHONY, 1998; FARRANT et al.,

2003). A indução de parte destes mecanismos de proteção durante a desidratação é controlada

pelo ácido abscísico (ABA) (BARTELS et al., 1990; OLIVER, 1996; OLIVER; BEWLEY,

1997). Desta maneira, o controle da perda de água nos tecidos vegetativos de pteridófitas e

angiospermas parece ser importante para permitir o tempo necessário para a ativação dos

mecanismos de proteção (OLIVER; BEWLEY, 1997). Neste sentido, pteridófitas e angiospermas

tolerantes à dessecação são denominadas tolerantes à dessecação modificadas (“modified

desiccation tolerant”, OLIVER, 1996), uma vez que a tolerância somente se estabelece após uma

fase de preparação dos tecidos com a indução dos mecanismos necessários (OLIVER, op.cit.).

No Brasil, Morello (1954) foi o primeiro a chamar atenção para a ocorrência da tolerância

à dessecação em tecidos vegetativos de uma espécie da caatinga, Selaginella convoluta. Estudos

posteriores têm enriquecido a listagem de espécies nativas com representantes das famílias

vasculares Velloziaceae, Cyperaceae, Poaceae, Pteridaceae, Schizaeaceae e Selaginellaceae

(MEGURO et al., 1977; GAFF, 1987; MEIRELLES; MATTOS; SILVA, 1997). Em outros

lugares do mundo também são encontradas espécies tolerantes à dessecação de outras famílias, a

exemplo das dicotiledôneas Gesneriaceae, Scrophulariaceae, e Myrothamnaceae (GAFF, 1971).

A tolerância à dessecação em tecidos vegetativos é freqüente entre as formas de vida

categorizadas por Raunkiaer (ELLENBERG; MUELLER-DOMBOIS, 1967) que ocorrem em

campos rupestres e afloramentos rochosos monolíticos (MEIRELLES; MATTOS; SILVA, 1997;

POREMBSKY; BARTHLOT, 2000; CONCEIÇÃO; PIRANI, 2005). Afloramentos rochosos

monolíticos são também conhecidos como “inselbergs” (POREMBSKY; BARTHLOT, 2000).

Além dos campos rupestres e afloramentos rochosos, a tolerância à dessecação em tecidos

vegetativos também pode ser encontrada em espécies da vegetação terrestre da caatinga e do

cerrado (MEIRELLES; MATTOS; SILVA, 1997), bem como da vegetação epifítica existente

sobre troncos de árvores florestais e urbanas. Afloramentos rochososos, especialmente,

constituem centros de diversidade para espécies vasculares tolerantes à dessecação

(POREMBSKY; BARTHLOT, 2000). Nestes diferentes ambientes, a condição de seca extrema e

imprevisível relacionada à falta de substrato ou solo e sua alta capacidade de drenagem sugere a

principal razão da ocorrência da tolerância à dessecação de tecidos vegetativos entre suas formas

de vida (MEIRELLES; MATTOS; SILVA, 1997). A desidratação completa de plantas tolerantes

à dessecação pode ocorrer em algumas horas de seca, no caso de criptógamas, ou em alguns dias,

26

no caso das fanerógamas de maior porte. Desta maneira, espécies tolerantes à dessecação estão

sujeitas a ciclos repetidos de dessecação e reidratação em seus habitats, o que deve constituir uma

limitação contra a manutenção de um balanço positivo de carbono necessário para o crescimento

(EICKMEIER, 1979).

Uma das principais características utilizadas para a identificação visual de plantas

tolerantes à dessecação é o aspecto que suas folhas apresentam quando estão no estado

dessecado, caracterizado pelo enrolamento intenso, a aquisição de uma textura mais rígida e

mudanças de coloração do tecido. Estes aspectos se diferenciam daquele correspondente aos de

palha ressecada como as folhas de plantas homeohídricas se apresentam após serem desidratadas

ao extremo, o que indica a morte destes tipos de tecidos. Com a perda de água, os tecidos foliares

de plantas pecilohídricas podem apresentar diferentes padrões de enrolamento, de acordo com a

espécie, o que resulta na diminuição de sua área foliar exposta à radiação solar trazendo

vantagens para a sobrevivência (LEBKUECHER; EICKMEIER, 1993; FARRANT et al., 2003).

A diminuição de área foliar deve-se à proporcional diminuição do volume celular de seus tecidos

foliares. Neste processo, a diminuição do volume celular é acompanhada de dobramentos das

paredes, recolhimento de membranas e formação de numerosos pequenos vacúolos

(MARKOVSKA et al., 1994; SHERWIN; FARRANT, 1998; FARRANT et al., 2003).

A coloração que o tecido foliar assume após ser dessecado de forma viável está

relacionada ao grau de preservação de clorofilas e manutenção ou acúmulo de outros pigmentos

fotoprotetores, quando presentes, como carotenóides e antocianinas. Estas diferentes

possibilidades podem resultar em folhas dessecadas com colorações esverdeadas, arroxeadas ou

intensamente amareladas. Quando suas folhas conservam o conteúdo de clorofilas após a

completa desidratação, podendo ou não manter a aparência esverdeada devido ao efeito da

sobreposição de pigmentos, além de manter a ultra-estrutura cloroplastidial básica formada pelo

empilhamento dos tilacóides, a espécie é classificada como homeoclorófila. Quando as folhas se

tornam amareladas ou arroxeadas no final do processo de dessecação, sendo o conteúdo de

clorofilas completamente perdido e a ultra-estrutura do aparato fotossintético desmantelada

transformando os cloroplastos em plastoglóbulos, a espécie é classificada como peciloclorófila

(HAMBLER, 1961; MARKOVSKA et al., 1994; SHERWIN; FARRANT, 1998; FARRANT et

al., 2003). Neste caso, as plantas deste grupo são capazes de reconstituir o aparato fotossintético

27

capaz de retomar a atividade fotossintética e re-estabelecer um balanço positivo de carbono

durante a rehidratação foliar (TUBA et al., 1994; TUBA et al., 1998).

Sugere-se que a vantagem da homeoclorofilia esteja associada à rapidez no

estabelecimento de um balanço positivo de carbono com a reidratação (EICKMEIER, 1980). Por

outro lado, propõe-se que a peciloclorofilia funcione como uma forma de impedimento à

ocorrência de eventos de foto-oxidação provocados por intensa radiação solar em folhas com

baixo conteúdo relativo de água (FARRANT et al., 2003).

Uma das evidências que contribuem para explorar o significado ecológico da

peciloclorofilia é a distribuição diferencial de plantas homeo e peciloclorófilas nos diversos

micro-habitats dos afloramentos rochosos. As espécies peciloclorófilas estão restritas aos

ambientes expostos diretamente à insolação e as homeoclorófilas parecem ocorrer

preferencialmente em habitats sombreados. Nos afloramentos rochosos, a maior parte da

vegetação submetida diretamente às condições extremas da superfície rochosa ocorre em grupos,

chamados de ilhas-de-solo (MEIRELLES et al., 1999). As ilhas de solo são caracterizadas pela

deficiência de substrato, sendo o solo praticamente ausente ou com pequena profundidade. Estes

agrupamentos são também chamados de “touceiras de monocotiledôneas” (IBISCH et al., 1995) e

são freqüentemente formados por espécies tolerantes à dessecação. As ilhas de solo variam de

tamanho e essa variação é acompanhada por uma mudança na composição de espécies, bem

como de mudanças nas condições microclimáticas. O desenvolvimento de espécies de maior

porte nas ilhas maiores proporciona uma condição de sombra e redução da temperatura em seu

interior. Da mesma forma, existiria uma maior disponibilidade de substrato e conseqüentemente

de água disponível. Nas ilhas maiores as plantas heliófilas como as espécies peciloclorófilas

situam-se nas bordas e as homeoclorófilas ocorrem no espaço interno da ilha onde estão

submetidas ao sombreamento. Esse aspecto constitui a segregação mais evidente entre o habitat

das peciloclorofilas e homeoclorófilas (figura 1). Entretanto, ocorrem algumas espécies

homeoclorófilas que apresentam heliofilia. Em contraste, nenhuma peciloclorófila apresenta

umbrofilia (MEIRELLES, 1990).

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28

Figura 1 - Distribuição de espécies em função de classes de tamanho de ilhas de solo sobre afloramentos rochosos, a)

criptógamas homeclorófilas tolerantes à dessecação: Anemia villosa, Anemia flexuosa, Doryopteris

Collina; b) fanerófitas peciloclorófilas tolerantes à dessecação: Pleurostima purpurea, Vellozia candida,

Nanuza plicata e Trilepis lhotskiana; c) demais espécies sensíveis à dessecação (Adaptado a partir de MEIRELLES, 1990)

29

1.1

Considerações gerais

O conhecimento corrente sobre as vantagens da peciloclorofilia fundamenta-se na idéia

geral de que perda de clorofilas durante a desidratação dos tecidos foliares impede sua possível