Fotoinibição da Fotossíntese RESUMO: (Fotoinibição da Fotoss...

Fotoinibição da Fotossíntese RESUMO: (Fotoinibição da Fotossíntese). A vida na terra depende da energia derivada do sol. A fotossíntese é o único processo de importância biológica que pode colher esta energia. O termo “fotossíntese” significa “síntese que usa luz”, literalmente. Organismos fotossintéticos usam energia solar para sintetizar combinações orgânicas que não podem ser formadas sem a contribuição de energia. Energia armazenada nestas moléculas pode ser usada depois como fonte de energia para processos celulares na planta e pode servir como recurso de energia para todas as formas de vida. É, portanto, surpreendente que a luz possa ser também prejudicial para a fotossíntese. Existem evidências que o excesso de luz pode afetar o crescimento vegetal e levar à redução da produtividade. Atualmente, essa condição de estresse é conhecida como fotoinibição e definida como um complexo conjunto de processos moleculares que promovem a inibição de fotossíntese através do excesso de luz. O objetivo desta revisão é ressaltar a importância da fotoinibição, suas implicações nos processos fotossintéticos, como e onde ocorre o fotodano, bem como a importância dos fatores climáticos neste processo. Palavras-chave: excesso de luz, ecofisiologia vegetal, fotossistema I e II. ABSTRACT: (Photoinhibition of the Photosynthesis). The life in the earth depends on the derived energy of the sun. The photosynthesis is the only process of biological importance that can pick this energy. The term “photosynthesis” means “synthesis that uses light” literally. The photosynthetic organisms use solar energy to synthesize organic combinations that cannot be formed without the contribution of energy. Energy stored in these molecules can be used later as source of energy to cellular processes in the plant and it can serve as resource of energy for all the life forms. It is, therefore surprising that the light can also be harmful for the photosynthesis. Evidences that the light excess can affect the vegetable growth exist and lead to the reduction of the productivity. Now that stress condition is known as photo inhibition and defined as a complex group of molecular processes that promote the photosynthesis inhibition through the light excess. The objective of this review is to emphasize the importance of the photo inhibition, their implications in the photosynthetic processes and when and where the photo damage happens, as well as the importance of the climatic factors in this process. Key words: � ecophysiology of plants, excess of light, photo system I and II. Saulo Alberto do Carmo Araújo1* e Bruno Borges Deminicis2

1. Zootecnista, D.Sc., Professor Adjunto. Faculdade de Ciências Agrárias/UFVJM.
2. Zootecnista, D.Sc., Pós-Doutorando em Produção Vegetal, Bolsista CNPq. LFIT/CCTA/UENF. *Autor para contato. E-mail: araujosac@yahoo.com.br Submetido em: 04 de Abril de 2008 Recebido após Revisão em: 28 de Outubro de 2009 Aceito em: 06 de Novembro de 2009 Disponível on-line: http://www.ufrgs.br/seerbio/ojs/index.php/rbb/article/view/1009 INTRODUÇÃO A fonte primária de energia da biosfera no nosso planeta é a luz, que é convertida em energia química via fotossíntese. É, portanto, surpreendente que a luz possa ser também prejudicial para a fotossíntese. Existem evidências que o excesso de luz pode afetar o crescimento vegetal e levar à redução da produtividade. Atualmente essa condição de estresse é conhecida como fotoinibição e definida como um complexo conjunto de processos moleculares que promovem a inibição de fotossíntese através do excesso de luz (Almenara 1998). O fenômeno da fotoinibição pode ser causado pela luz ultra-violeta (UV), visível (V) e combinações UV-V. A absorção de fótons é diretamente proporcional à densidade do fluxo de fótons, resultando em uma resposta linear. Entretanto, a utilização desses fótons pela fotossíntese apresenta uma resposta hiperbólica, demonstrando que a partir de determinada densidade ocorre a saturação da fotossíntese (Farquhar et al. 1980). Fotoinibição é um termo amplo que inicialmente descreveu o declínio na viabilidade fotossintética em organismos fotossintéticos, envolvendo o oxigênio devido ao excesso de iluminação. O fenômeno foi identificado a mais de 100 anos, com os primeiros trabalhos de Ewart (1986), que teve entre suas primeiras pesquisas a análise dos efeitos de fatores externos neste complexo processo fotossintético. Entretanto, até os dias atuais, a fotoinibição é considerada um dos temas mais discutíveis no campo fotossintético (Adir et al. 2003). Vários termos têm sido utilizados para designar o fenômeno da redução da capacidade fotossintética, induzida pela exposição de organismos, estruturas ou organelas ao excesso de luz. Alguns desses termos são: fotoinibição, fotooxidação, fotoinativação, fotolabilidade, solarização e reações fotodinâmicas (Krause 1988). O termo fotoinibição tem sido utilizado com maior freqüência, principalmente devido à importância que o estudo do fenômeno assumiu nos últimos 20 anos. Contudo, esse termo também tem sido utilizado como sinônimo de danos causados ao Fotossistema II (PSII), mas é importante ressaltar que o dano da luz ao PSII é considerado fotoinibição, por definição, se ocorrer decréscimo em toda capacidade fotossintética e não apenas em um componente do aparato fotossintético, sendo que a fotoinibição não é um fenômeno localizado (Long et al. 1994). A exposição prolongada de plantas ou organelas ao excesso de luz pode resultar na fotodestruição dos pigmentos fotossintéticos, uma vez que a descoloração 464 Araújo & Deminicis R. bras. Bioci., Porto Alegre, v. 7, n. 4, p. 463-472, out./dez. 2009 (branqueamento) desses é dependente do oxigênio e da luz. Esse fenômeno é normalmente denominado de fotooxidação, podendo levar à morte da célula ou do organismo. Na grande maioria dos casos, a fotooxidaçao é um fenômeno secundário, ocorrendo após uma fase distinta lenta, durante a qual há um declínio da fotossíntese dependente da intensidade da luz e do tempo de exposição (fotoinibição), sem que ocorram mudanças na composição do reservatório dos pigmentos. Portanto, a fotoinibição da fotossíntese não é conseqüência da destruição do reservatório de pigmentos mas, ao contrário, a descoloração dos pigmentos ocorre depois que dado grau de fotoinibição ocorreu separando, assim, em dois fenômenos distintos (Hendrey et al. 1987). Segundo Long et al. (1994), sob baixa intensidade luminosa (menor que 100 μmol. m-2s-1), mais de 80% do quantum absorvido é usado na fotossíntese. Quando a intensidade luminosa aproxima-se de 1000 μmol.m-2s-1 (cerca de metade do valor da luz solar), menos de 25% do quantum absorvido é usado e, sob luz solar plena, a utilização reduz para aproximadamente 10%. RadiaçãoADIAÇÃO SOlAR e FOTOSSíNTESE Entre os fatores abióticos que limitam a produtividade das plantas, destacam-se os altos níveis de radiação solar incidente. O aumento excessivo da luz acima da capacidade de utilização pela fotossíntese pode resultar em uma condição de estresse conhecida como fotoinibição. A quantidade de energia radiante que atinge o complexo coletor de luz dos fotossistemas pode conduzir a um ganho ou perda na eficiência das reações fotoquímicas dos centros de reação (Lemos Filho 2000). A luz desempenha um papel importante na regulação de inúmeras enzimas cloroplastídicas, podendo, quando em excesso, desencadear distúrbios nos processos associados às atividades fotossintéticas. A alta intensidade de luz pode, em condições aeróbicas, catalisar a geração de espécies reativas de oxigênio, altamente danosas à integridade e funcionalidade celular (Barber & Andersson 1992, Oliveira 2002). MecanismosECANISMOS DE AÇÃO DA FotoinibiçãoOTOINIBIÇÃO Atualmente, sabe-se que a fotoinibição é um fenômeno comum em todos os organismos que realizam fotossíntese oxigênica, sendo o PSII o alvo principal. Muito da atual compreensão dos processos moleculares que envolvem a vulnerabilidade do PSII à luz solar proveio da compreensão das propriedades funcionais e estruturais do PSII e da sua similaridade com o centro de reação das bactérias fotossintetizantes. A capacidade do PSII de oxidar a água permitiu que os organismos fotossintetizantes utilizassem a luz solar como fonte de energia e a água como fonte doadora de elétrons para fixar o CO2 atmosférico. Entretanto, é essa mesma capacidade de oxidar a água, que é um dos principais motivos da labilidade do PSII, pois espécies tóxicas de O2, tais como O2 singleto, peróxidos e superóxidos, são formados durante a fotossíntese. Assim, esse grande evento do ponto de vista evolutivo teve como preço a labilidade do complexo fotossintético. Para contornar este problema, os vegetais desenvolveram estratégias para controlar o excesso de excitação e reparar os PSII fotoinativados (Almenara 1998). Muitos dos efeitos do excesso de luz estão localizados no PSII, e locais inibidores tanto no lado doador quanto no receptor foram identificados. Esta inibição é reversível nos primeiros estágios. Porém, estágios posteriores de inibição resultam em danos para o sistema, tal que o centro de reação do PSII precisa ser desmontado e consertado. O local principal deste dano é a proteína D1 que faz parte do centro de reação do PSII. Esta proteína é facilmente danificada através do excesso de luz e então deve ser removida da membrana e substituída por uma cópia recentemente sintetizada. As outras partes do centro de reação do PSII são projetadas para serem recicladas, assim a proteína D1 é o único componente que precisa ser sintetizado (Aro et al. 1993a). De acordo com Taiz & Zeiger (2004), dois tipos de fotoinibição são identificados: a fotoinibição dinâmica e a crônica. Sob excesso de luz moderado, observa-se a fotoinibição dinâmica. A eficiência quântica decresce, mas a taxa fotossintética máxima permanece inalterada. A fotoinibição dinâmica é causada pelo desvio da energia luminosa, absorvida em direção a dissipação de calor. Por isso, o decréscimo em eficiência quântica. Tal decréscimo é temporário e a eficiência quântica pode retornar ao seu valor inicial mais alto, quando o fluxo fotônico decresce abaixo dos níveis de saturação. A fotoinibição crônica resulta da exposição a altos níveis de luz, que danificam o sistema fotossintético e diminuem a eficiência quântica e a taxa fotossintética máxima. A fotoinibição crônica está associada ao dano e substituição da proteína D1 do centro de reação do PSII. Ao contrário da fotoinibição dinâmica, tais efeitos têm duração relativamente longa, persistindo por semanas ou meses. Segundo o atual conhecimento sobre a fotoinibição (Powles & Björkman 1982, Powles 1984, Demmig et al. 1987, Aro et al. 1993b, Long et al. 1994, Maxwell & Johnson 2000, Dias & Marenco 2006) existem dois mecanismos relacionados. Em ambos, a proteína D1 do centro de reação do PSII sofre fotodano. No primeiro, a fotoinibição é uma conseqüência da limitação do transporte de elétrons no lado doador do PSII e, no segundo, a fotoinibição é devida a uma limitação no lado aceptor do PSII. Em relação ao lado aceptor, o ponto exato de fotodano do PSII também é controverso, havendo duas hipóteses. A primeira afirma que o fotodano ocorre no sítio de ligação do aceptor secundário quinona b (Qb). Esta hipótese baseia-se na dependência da inativação do rendimento quântico máximo do PSII (Fv/Fm), da atividade de transporte de elétrons do PSII e da degradação da proteína D1 com o estado de oxidação da reserva de plastoquinonas, ou seja, da razão plastoquinona oxidada/plastoquinona 465 Fotoinibição da Fotossíntese R. bras. Bioci., Porto Alegre, v. 7, n. 4, p. 463-472, out./dez. 2009 O papePAPEl DA PROTEíNA D1 A hipótese do envolvimento da proteína D1 no processo de fotoinibição baseia-se no seu rápido “turnover”, nas observações de dependência da taxa de degradação de D1 com a irradiância e no aumento da fotoinibição na presença de inibidores de síntese protéica ou de transcrição, em cloroplastos ou cianobactérias. Aro et al. (1993b), defendem a hipótese de que o “turnover” da proteína D1 é uma necessidade fisiológica para a regulação da absorção de luz e da estrutura do tilacóide. Utilizando a técnica de pulse chase em folhas de Pisum sativum, Aro et al. (1993a) observaram que não houve uma correlação entre a degradação de D1 e o decréscimo do rendimento fotoquímico (Fv/Fm), mas houve uma significante taxa de degradação de D1 no escuro em folhas não fotoinibidas e em irradiâncias não fotoinibitórias, onde Fv/Fm permaneceu constante. Outros estudos também relataram um decréscimo significativo de D1, após o tratamento fotoinibitório, mas somente quando este foi realizado na presença de inibidores de síntese protéica ou após os efeitos fotoinibitórios terem sido aparentes (Barber & Anderson 1992, Hao et al. 1999, Bertamini et al. 2004, Dias & Marenco 2007). Esses últimos resultados não refutam o envolvimento de D1 na fotoinibição, mas mostram que a degradação líquida de D1 não é um método válido de aferição da fotoinibição, ou seja, a ausência de degradação de D1 após o tratamento fotoinibitório não implica na ausência de fotoinibição. Sendo a proteína D1 degradada após sofrer o fotodano, surgiu então a dúvida de qual seria o ponto de clivagem de D1 e como o PSII seria regenerado. Inicialmente, acreditava-se que a proteína D1 era degradada por uma protease estromática. Todavia, detectou-se a degradação de D1 em tilacóides isolados e, mais ainda, em centros de reação de PSII isolados. Observou-se, também, que a degradação de D1 era inibida por inibidores de protease específica para serina. Concluiu-se, portanto, que a protease de D1 era uma proteína integral à membrana tilacóide. Posteriormente, foi sugerido que os pontos de clivagem da proteína D1, em centros de reação do PSII de ervilha, seriam no lado aceptor do PSII e esta clivagem ocorreria sem uma mudança estrutural imediata do centro de reação. Uma vez que a degradação de D1 segue-se ao fotodano, a regeneração do PSII só é possível com a inserção de uma nova proteína D1 (Long et al. 1994). No processo de degradação da proteína D1, o complexo de oxidação da água dissocia-se do PSII, ocorre a fosforilação deste último seguido da dissociação das antenas periféricas. O PSII migra da região granal para a região lamelar onde um precursor da proteína D1 é inserido, após o qual o PSII retorna para a região granal do tilacóide. Ocorre o processamento e acilação da nova proteína D1 e o PSII reassocia-se com as antenas periféricas e com o complexo de oxidação da água, sendo assim reativado. A alta irradiância não afeta somente o fotossistema II. As evidências na literatura indicam que as enzimas reduzida (PQ/PQH2). Além disso, observa-se também que existe uma correlação direta entre o grau de inativação do PSII e o grau de ligação de inibidores específicos para o sítio de Qb, por exemplo, a antrazina. A segunda hipótese sugere que o fotodano ocorre no sítio de ligação do aceptor primário quinona a Qa. Esta hipótese está baseada nas observações de ressonância eletrônica de spin (ESR) e de cinética de decaimento de absorção à 830 nm. Em ambos os casos, a fotoinibição é agravada se o O2 estiver presente. Uma terceira hipótese, que pode ser considerada a síntese das duas primeiras, afirma que a fotoinibição inicia-se no sítio de Qb. Por esta hipótese, sob alta irradiância, os eventos fotoquímicos tornam-se muito rápidos, o que pode reduzir completamente a reserva de plastoquinonas na tilacóide, caso a taxa de reoxidação das mesmas pelo PSI estiver sendo limitada por alguma razão (como por exemplo, uma limitação na taxa de fixação de carbono). Nesta situação, o sítio de ligação do aceptor secundário Qb permanecerá a maior parte do tempo vazio, pois o mesmo possui pouca afinidade a PQH2. Logo, o aceptor primário Qa pode ser duplamente reduzido, formando Qa2- a qual pode deixar o seu sítio de ligação na proteína D2. Quando isso acontece, os eventos fotoquímicos estão restritos a formação do par (fotossistema II oxidado/feofitina reduzida) PSII+/Pheo-. Ocorre, então, a recombinação de cargas e a excitação é transferida de volta para o centro de reação. Eventualmente, o PSII decai para o estado triplete podendo assim reagir com o oxigênio molecular (condição aeróbia), formando oxigênio singlete (1O2). Neste caso, ocorrem reações oxidativas levando à destruição do PSII e a proteína D1 é danificada. Vários resultados de estudos sugerem que o 1O2 desempenha importante papel no dano da proteína D1, mas o mecanismo desse processo ainda não foi totalmente caracterizado. A ação de 1O2 pode estar na oxidação de alguns resíduos de aminoácidos (como a histidina responsável pela ligação de PSII a D1), no desencadeamento da formação em cascata, de outras espécies reativas de oxigênio e, ainda, poderia atacar as duplas ligações entre carbono de carotenóides e/ ou clorofilas, o que provocaria mudanças estruturais no centro de reação (Barber & Anderson 1992). Para o lado doador, a fotoinibição resulta no acúmulo de PSII+ ou do seu doador oxidado tirozina (TyrZ+), devido a uma limitação do complexo de oxidação da água em fornecer elétrons ao centro de reação oxidado, ou a uma limitação da transferência de elétrons entre TyrZ e PSII. O PSII+, sendo um forte oxidante, oxidaria as outras espécies moleculares ao seu redor com o conseqüente dano à proteína D1. Ao contrário dos eventos no lado aceptor, a fotoinibição no lado doador é independente da presença de O2 e não necessita de luz saturante para ocorrer. A importância do complexo de oxidação da água no fenômeno da fotoinibição foi revelada por estudos com mutantes e em frações enriquecidas em PSII com e sem complexo de oxidação da água, as quais foram muito mais susceptíveis à fotoinibição e incapazes de realizar a oxidação da água (Almenara 1998). 466 Araújo & Deminicis R. bras. Bioci., Porto Alegre, v. 7, n. 4, p. 463-472, out./dez. 2009 do ciclo de fixação do CO2, a catalase e o próprio PSI (fotossistema I) também são afetados pela alta irradiância (Almenara 1998). FotoinibiçãoOTOINIBIÇÃO DO FOTOSSISTEMA I O PSI também é rapidamente afetado quando cloroplastos isolados são expostos a alta irradiância. Entretanto, é observado um pequeno ou nenhum efeito de fotoinibição no PSI in vivo, cujas razões para essa discrepância, segundo Krause (1988), ainda são desconhecidas. Em sua revisão, Powles (1984) relatou que o PSI é geralmente considerado como sendo muito mais tolerante à alta irradiância do que o PSII. De acordo com Havaux & Davaud (1994), a diferença de sensibilidade do PSI à fotoinibição entre medidas in vivo e in vitro sugere que a tolerância do PSI não é uma propriedade intrínseca do fotossistema, mas sim uma conseqüência de um eficiente mecanismo fotoprotetor ou de processos de controle, os quais podem se tornar menos ativos quando in vitro. Embora o PSI seja considerado mais tolerante à fotoinibição, ele é passível de sofrer danos decorrentes da exposição ao excesso de luz, uma vez que o espectro de ação da fotoinibição implica claramente como sendo a absorção de luz visível pela clorofila a responsável pela inibição. Uma diferença marcante entre o PSII e o PSI é que, neste último, a presença de oxigênio é essencial para a fotoinibição da capacidade de transporte de elétrons. Essa dependência de oxigênio faz da fotoinibição do PSI um fenômeno diferente daquele que ocorre no PSII, o que pode ser confirmado pelo fato da fotoinibição do PSI ser evitada pelo bloqueio do transporte de elétrons no PSII pelo DCMU durante a exposição à luz. (Satoh 1970). O mecanismo de inativação do PSI pelo excesso de luz não se encontra ainda esclarecido. A dependência de oxigênio e de um fluxo de elétrons contínuo (quando a irradiância não é excessiva) sugere que interações com o oxigênio gerando compostos destrutivos podem ocorrer para o surgimento do efeito. Além disso, Havaux & Davaud (1994) alegam que a fotoinibição do PSI ocorre em condições nas quais há acúmulo de PSI na forma reduzida, reduzindo o seqüestro de O-2. Segundo Taiz & Zeiger (2004), o fotossistema I é protegido das espécies ativas de oxigênio porque estas são passíveis de eliminação pela ação de uma série de enzimas, incluindo superóxido dismutase e ascorbato peroxidase. FatoresATORES AMBIENTAIS Como a fotoinibição envolve inativação fotoquímica principalmente do PSII, todos os organismos fotossintetizantes podem ser potencialmente susceptíveis à irradiância incidente. Assim, o grau de susceptibilidade está sob influência de vários fatores como: ambientais (luz, temperatura, água, CO2, O2 e fertilidade do solo), genotípicos (plantas de sol ou sombra), fenotípicos (inclinação da folha) e fisiológicos (metabolismo do carbono). A imposição de fatores estressantes adicionais durante a exposição à alta irradiância exacerba os efeitos adversos da luz (Long et al. 1994). Baixa Temperatura A temperatura afeta todas as reações bioquímicas da fotossíntese, assim, não é surpreendente que as respostas à temperatura sejam complexas (Taiz & Zeiger 2004). Tanto temperaturas baixas quanto altas afetam sobremaneira os processos fotossintéticos. A exposição de plantas a temperaturas na faixa de resfriamento (0-12ºC) ou de congelamento (<0ºC) causa efeitos adversos nas suas funções metabólicas. A fotossíntese é um dos primeiros processos a serem afetados. Uma característica que chama atenção é que os sintomas do dano de baixa temperatura no aparato fotossintético são especialmente pronunciados ou, em alguns casos, apenas ocorrem quando intensidade substancial de luz acompanha a exposição à baixa temperatura (Alves 1998). Existe uma distinção clara entre a resposta das plantas à temperatura de resfriamento no escuro e na luz (Long 1983). A temperatura de resfriamento no escuro tem pequeno efeito na fotossíntese e, em particular, no PSII. Espécies sensíveis à temperatura de resfriamento são altamente susceptíveis aos danos fotoquímicos (fotoinibição), se expostas à alta irradiância sob baixas temperaturas. Por outro lado, espécies tolerantes ao resfriamento são aparentemente menos susceptíveis. Entretanto, a temperatura antecedente à qual a planta foi exposta afetará a sensibilidade à temperatura de resfriamento subseqüente, sendo que o crescimento e desenvolvimento da planta sob baixa temperatura conferem maior tolerância à fotoinibição sob tais condições (Boese & Huner 1992). Estes mesmos autores relataram que, além do histórico térmico da planta, o estágio de desenvolvimento e a idade da folha contribuíram para a resposta à fotoinibição. O histórico térmico condiciona modificações nos tilacóides durante a fase de crescimento e de desenvolvimento da planta sob baixa temperatura. Huner et al. (1987), relataram que o desenvolvimento sob baixas temperaturas resultou em mudanças organizacionais específicas no complexo coletor de luz do PSII. Análises de microscopia eletrônica in situ, revelaram que o desenvolvimento sob baixa temperatura resultou em menor empilhamento dos grana e em redução no tamanho das partículas da antena do PSII. Huner et al. (1989), demonstraram in vitro, que a antena do PSII de Secale cereale L. cv. Puma, endurecido sob baixa temperatura, se estabiliza primariamente na sua forma monomérica, ou seja, mesmo quando submetido à baixa temperatura sua fisiologia não é afetada. Seria quase uma aclimatação, enquanto que, no não endurecido, se estabiliza na forma oligomérica. Lapointe et al. (1991), trabalhando com tilacóides isolados, concluíram que o aumento da tolerância à baixa temperatura indutora da fotoinibição não é uma Fotoinibição da Fotossíntese 467 R. bras. Bioci., Porto Alegre, v. 7, n. 4, p. 463-472, out./dez. 2009 propriedade das membranas destes, mas está associado a um alto nível de organização celular (Alves 1998). Quanto ao aspecto de formação do aparelho fotossintético, sabe-se que a aclimatação de plantas à baixa temperatura requer uma reestruturação bioquímica e física das membranas celulares para aumentar a fluidez dessas. Geralmente se observa um aumento no conteúdo de lipídios, particularmente fosfolipídios, além de um aumento no grau de insaturação das cadeias de ácidos graxos (Lynch & Steponkus 1987). Porém, a exposição das plantas a uma condição fotoinibitória (alta radiação), acrescido de uma pré-exposição à baixa temperatura, poderá alterar a estrutura das membranas. Alterações nas membranas se dão a partir da peroxidação lipídica pela ação das espécies reativas de oxigênio geradas pelo fator estressante como, por exemplo, baixa temperatura. Uma vez que ânions superóxido são produzidos no ambiente dos cloroplastos na presença de luz, as cadeias de ácidos graxos das membranas dos tilacóides, ricas em poli-insaturados, estão altamente vulneráveis à peroxidação. Essas membranas mostram-se como um potencial sítio de ação da fotoinibição dependente de baixas temperaturas (Oliveira 2002). A degradação de ácidos graxos poli-insaturados pela peroxidação produz íons peróxido e malondialdeído (MDA), induzindo um aumento na rigidez das membranas. Este aumento da rigidez das membranas pode ocasionar a morte das células (Steponkus 1984). Em termos funcionais, temperaturas baixas, acima de zero, afetam a transferência de energia entre os diversos trocadores de elétrons que constituem a cadeia transportadora de elétrons fotossintéticos. Afetam, também, a fosforilação acoplada ao transporte de elétrons, as enzimas do ciclo de redução do carbono no estroma, além dos mecanismos de transporte dos produtos fotossintéticos a partir dos cloroplastos (Oquist 1983). Segundo Ottander et al. (1993), existem quatro hipóteses para explicar porque as plantas se tornam muito mais sensíveis à fotoinibição quando em baixas temperaturas: a) baixas temperaturas podem reduzir a capacidade fotossintética e, portanto, aumentar a probabilidade de excesso de excitação do PSII; b) capacidade de recuperação do PSII é reduzida a baixas temperaturas (a degradação e a síntese da proteína D1 nos centros de reação parecem diminuir em baixas temperaturas); c) capacidade dos seqüestradores de oxigênio, os quais possuem o potencial de prover proteção contra a fotoinibição, diminui a baixa temperatura; d) habilidade em formar zeaxantina, a qual está capacitada a dissipar a energia de excitação na antena do PSII, pode ser inibida a baixa temperatura. Essas hipóteses não são mutuamente exclusivas. Alta Temperatura A fotoinibição da fotossíntese in situ pode ocorrer em pleno sol mesmo na ausência de outros fatores estressantes, ainda que a temperatura foliar possa ser alta (Powles 1984). Quando a temperatura se eleva acima do ótimo, a fotossíntese começa a decrescer gradual e reversivelmente, no início, e paulatina e irreversivelmente, em alguma temperatura crítica. Segundo Barber & Andersson (1992) e Long et al. (1994), a inativação reversível da fotossíntese é um reflexo de dano nas reações dos cloroplastos, o qual persiste por algum tempo após o retorno às condições de temperaturas favoráveis. Dentro do aparato fotossintético, o PSII parece ser mais sensível ao calor, enquanto a atividade do PSI, enzimas do estroma e o envelope cloroplastídico são comparativamente mais termoestáveis (Havaux & Davaud 1994). Acredita-se que o aumento da temperatura acarreta primeiro o bloqueio dos centros de reação do PSII e, em seguida, causa a dissociação do complexo proteína-pigmentos da antena do núcleo central do aparato coletor de luz do PSII (Armond et al. 1978). Para Pastori & Trippi (1993), essa dissociação pode estar relacionada à separação de fases dos lipídios formadores de camada simples nas membranas dos tilacóides ou ainda ser conseqüência da reação entre O2- e peróxido de hidrogênio (H2O2), oriundos de estresse oxidativo e que causam inativação de enzimas, descoloração de pigmentos, peroxidação de lipídios e proteólise. A exposição de plantas jovens à luz solar plena pode levar a queda do potencial hídrico das folhas, causada por alta demanda evaporativa provocada pela alta radiação sendo responsável pelo aumento da temperatura da mesma e pela restrição estomática à transpiração que, eventualmente, intensifica os efeitos da fotoinibição (Valladares & Pearcy 1997). As temperaturas consideradas moderadamente altas (35 a 42°C) podem causar danos diretos ao aparato fotossintético (Wise et al. 2004), por provocar mudanças na membrana do tilacóide e alterar as propriedades físico-químicas e, também, a organização funcional dessas estruturas celulares. Em elevadas temperaturas, a taxa máxima de assimilação de carbono pode ser inibida por diminuir a condutância estomática (Law & Crafts-Brandner 1999). Além disso, altas temperaturas podem levar ao aumento da respiração mitocondrial e da fotorrespiração. Vários fatores podem contribuir para a proteção contra a fotoinibição, incluindo mecanismos que diminuem a absorção de luz – movimento de folhas, pilosidade, reflectância, fotorrespiração e a redução do oxigênio no PSI, que leva à formação de água, e a dissipação de energia por mecanismos não-fotoquímicos – perda de calor ou dissipação não radiativa (Dias & Marrenco 2007). A fotorrespiração é mais efetiva na proteção contra a fotoinibição do que o transporte alternativo de elétrons para o oxigênio no ciclo água-água, pois a fotorrespiração dissipa o excesso de ATP e NADPH produzidos durante a fase fotoquímica da fotossíntese (Wu et al. 1991). A transferência de energia das clorofilas para alguns carotenóides do ciclo da xantofila leva à dissipação de energia na forma de calor, que ocorre no complexo coletor de luz do PSII (Demmig-Adams & Adams 1992). 468 Araújo & Deminicis R. bras. Bioci., Porto Alegre, v. 7, n. 4, p. 463-472, out./dez. 2009 Déficit Hídrico De acordo com Baker (1993), tem sido demonstrado que plantas submetidas ao estresse hídrico moderado não apresentam decréscimo na atividade potencial do PSII. Entretanto, sob estresse hídrico severo, as plantas frequentemente apresentam um marcante efeito fotoinibitório, caracterizado por um decréscimo significativo do rendimento quântico. Nesse caso, o déficit hídrico, em combinação com altos níveis de irradiância, pode causar uma significativa redução na eficiência da fotossíntese. Três fatores podem ser identificados como importantes na determinação da resposta da fotossíntese ao déficit hídrico. O primeiro é a extensão da desidratação, o segundo é a taxa deste desenvolvimento e o terceiro é a irradiância. A desidratação suave resulta na inibição da expansão, crescimento e condutância estomática. Essas respostas podem ocorrer antes que haja uma variação mensurável da condição de hidratação da folha e pode ser iniciado por sinais não-hidráulicos da raiz que está experimentando uma aridez no solo. As raízes atuam como sensores do déficit de água no solo, que é detectado pelas células-guarda dos estômatos mesmo antes de qualquer déficit hídrico ser observado nas folhas, por meio de sinais (ácido abscísico) enviados à parte aérea da planta (Salah & Tardieu 1997, Mattos et al. 2005). Desta forma, as raízes podem afetar as respostas estomáticas ao estresse hídrico (Davies et al. 2002). O ácido abscísico é sintetizado continuamente em taxas baixas nas células do mesofilo e tende a se acumular nos cloroplastos. Quando o mesofilo torna-se moderadamente desidratado, parte do ABA armazenado nos cloroplastos é liberada para o apoplasto (o espaço entre as paredes celulares) do mesofilo (Hartung et al. 1998 apud Taiz & Zeiger 2004). A redistribuição de ABA depende de gradientes de pH dentro da folha, de propriedades fracamente ácidas da molécula de ácido abscísico e das propriedades de permeabilidade de membranas celulares. A redistribuição de ABA possibilita ao fluxo da transpiração transportar parte dele para as células-guarda. Quando o ABA é sintetizado em taxas mais altas, a maior quantidade dele se acumula no apoplasto foliar. Os mutantes que perderam a capacidade para produzir o ABA exibem uma murcha permanente chamados de mutantes wilty, devido à sua incapacidade de fechar os estômatos. A aplicação exógena do ABA nesses mutantes leva ao fechamento estomático e à restauração da pressão de turgor (Beardsell & Cohen 1975, Saab et al. 1990). A baixa disponibilidade de água no solo acarreta desidratação, redução do crescimento e aceleração da senescência dos tecidos na planta, comprometendo o crescimento por reduzir as taxas de expansão foliar e fotossíntese (Ludlow & Ng 1976, Benett & Sullivan 1981), as taxas de aparecimento (Ng et al. 1975, van Loo 1992) e de senescência (McIvor 1984) de lâminas foliares, que reduzem a área foliar em espécies gramíneas. Assim que a aridez do solo se intensifica, o potencial da água na folha começa a decrescer, resultando na diminuição do volume celular, afetando assim, as enzimas do ciclo de Calvin (concentração de substratos e possível cristalização protéica). Nesse último aspecto, a manutenção do volume celular depende da velocidade de desidratação, já que as desidratações lentas permitem a aclimatação osmótica do cloroplasto

Resumo de 5 pqragrafos e consideracoes finais de 2 paragrafos