Trabalho de Fisiologia Vegetal

E m hábitats naturais as plantas vivem em diversos ambientes comple xos nos quais interagem com uma grande diversidade de organismos Figura 231 Algumas interações são claramente benéficas se não essen ciais tanto para a planta quanto para o outro organismo Tais interações bióticas mutuamente benéficas são denominadas mutualismos Exemplos de mutualismo abrangem as interações plantapolinizador a relação sim biótica entre bactérias fixadoras de nitrogênio rizóbios e leguminosas as associações micorrízicas entre raízes e fungos e os fungos endofíticos de fo lhas Outros tipos de interações bióticas incluindo a herbivoria a infecção por patógenos microbianos ou parasitas e a alelopatia guerra química entre plantas são prejudiciais Em resposta a esse último as plantas desen volveram mecanismos de defesa complexos para se protegerem contra os organismos nocivos e estes desenvolveram mecanismos opostos para derro tar essas defesas Tais processos evolutivos olho por olho são exemplos de coevolução responsável pelas interações complexas entre plantas e outros organismos No entanto seria uma simplificação excessiva caracterizar todos os or ganismos que interagem com plantas como benéficos ou prejudiciais Por exemplo acreditase que fungos micorrízicos sejam mutualistas que aumen tam o desempenho da planta ver Capítulos 5 e 13 Contudo plantas asso ciadas a micorrizas podem ocupar várias posições ao longo do continuum de parasitismo até mutualismo Da mesma forma o pastejo de flores por mamíferos diminui o desempenho em algumas espécies vegetais mas em outras pode levar ao aumento no número de pedúnculos florais melhoran do assim o desempenho Há também organismos que se beneficiam de sua interação com a planta sem causar quaisquer efeitos nocivos Tais interações neutras do ponto de vista da planta são denominadas comensalismo Os organismos comensais podem tornarse benéficos se protegerem a planta de um segundo organismo prejudicial Por exemplo as rizobactérias não patogênicas e os fungos do solo que não causam dano à planta podem es timular o sistema imunológico inato do vegetal discutido mais adiante neste capítulo e assim protegêlo de microrganismos patogênicos Interações Bióticas 694 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento A primeira linha de defesa contra organismos poten cialmente prejudiciais é a superfície da planta A cutícula a camada exterior de cera a periderme e outras barrei ras mecânicas ajudam a bloquear a entrada de bactérias fungos e insetos ver Tópico 231 na internet A segun da linha de defesa costuma envolver mecanismos bio químicos que podem ser constitutivos ou induzidos As defesas constitutivas estão sempre presentes enquanto as defesas induzidas são desencadeadas em resposta ao ataque Ao contrário das defesas constitutivas as induzi das requerem sistemas específicos de detecção e rotas de transdução de sinal que podem detectar a presença de um herbívoro ou de um patógeno e alterar adequadamente a expressão gênica e o metabolismo Para iniciar a discussão sobre interações bióticas se rão apresentados exemplos de associações benéficas entre plantas e microrganismos Em seguida serão considerados vários tipos de interações prejudiciais entre plantas herbí voros e patógenos As barreiras mecânicas e os metabóli tos secundários tóxicos são dois tipos principais de defesa constitutiva das plantas contra insetos e outros herbívoros Será avaliada então a vasta gama de defesas indu zidas que as plantas desenvolveram para afastar insetos herbívoros bem como as moléculas de sinalização e as ro tas de transdução de sinal que as regulam Será destacado o papel importante que os compostos orgânicos voláteis desempenham em repelir herbívoros atrair insetos preda dores e agir como sinais de alerta entre diferentes partes de plantas e entre plantas vizinhas A descrição das respostas induzidas contra a herbivo ria será seguida por uma discussão sobre as respostas in duzidas contra patógenos microbianos Embora as plantas não possuam sistema imunológico do tipo animal várias respostas específicas das plantas ao estresse biótico podem conferir resistência tanto local quanto sistêmica a patóge nos Por fim serão discutidos os mecanismos de dois outros Herbívoros de folhas Patógenos de folhas Patógenos de raízes Herbívoros de raízes Nematódeos Microrganismos do solo Simbiontes Competidores Formigas Polinizadores Figura 231 Praticamente to das as partes da planta são adap tadas para coexistir com organis mos em seu ambiente imediato De van Dam 2009 Capítulo 23 Interações Bióticas 695 tipos de patógenos de plantas os nematódeos e as plantas parasitas e o papel ecológico que exsudatos de raízes tóxi cos desempenham na competição plantaplanta Interações benéficas entre plantas e microrganismos É provável que as associações simbióticas entre algas e fun gos sejam anteriores ao surgimento das primeiras plantas terrestres cerca de 450 a 500 milhões de anos atrás MAA Por exemplo os primeiros liquens que são associações obri gatórias entre um fungo e uma alga verde ou uma ciano bactéria aparecem no registro fóssil cerca de 400 MAA na época em que as primeiras associações micorrízicas com plantas terrestres surgiram Isso sugere que a invasão da ter ra por plantas verdes pode ter sido auxiliada por associações simbióticas com fungos No ambiente natural as plantas terrestres são colonizadas por uma ampla diversidade de mi crorganismos benéficos fungos endofíticos e micorrízicos bactérias sob a forma de biofilmes sobre as superfícies das folhas e raízes bactérias endofíticas e bactérias fixadoras de nitrogênio contidas em nódulos na raiz ou no caule Nesta seção são focalizados os mecanismos de sina lização envolvidos em interações benéficas de plantas com três tipos de microrganismos bactérias fixadoras de nitro gênio fungos micorrízicos e rizobactérias Nos Capítulos 5 e 13 foram discutidas essas interações bióticas do ponto de vista anatômico e fisiológico Aqui são examinados os mecanismos de sinalização moleculares que controlam a formação dessas associações A simbiose com micorrizas arbusculares é muito antiga e como já mencionado apareceu há mais de 400 MAA Em comparação acreditase que a simbiose rizóbiolegumino sa tenha aparecido cerca de 60 MAA O parceiro fúngico nessas associações micorrízicas arbusculares pertence ao antigo filo Glomeromycota que perdeu a capacidade de completar seu ciclo de vida fora da planta Devido à dificul dade de realização de análises genéticas em um simbionte obrigatório o progresso na sinalização de micorrizas ar busculares avançou lentamente Como resultado as bases da rota de sinalização simbiótica foram trabalhadas inicial mente para a associação rizóbioleguminosa que se acredi ta ter evoluído a partir da rota de micorrizas arbusculares Os fatores Nod são reconhecidos pelo receptor de fator Nod NFR em leguminosas Conforme descrito no Capítulo 13 os rizóbios simbióti cos fixadores de nitrogênio liberam fatores de nodulação Nod como agentes de sinalização à medida que se apro ximam da superfície da raiz da leguminosa A interação de fatores específicos Nod e seus receptores correspondentes é a base para a especificidade de hospedeirosimbiontes Os fatores Nod são oligossacarídeos de lipoquitina que se ligam a uma classe específica de receptores do tipo quina se RLKs receptorlike kinases que contêm motivos lisina LysM de ligação à Nacetilglicosamina no domínio extra celular O termo lisina referese a uma enzima que hidro lisa os peptidoglicanos das paredes de células bacterianas Os primeiros receptores quinases com domínio LysM fo ram identificados na leguminosa Lotus japonicus a qual tem dois receptores receptor de fator Nod 1 e 5 NFR1 e NFR5 NFR Nod factor receptor Ambos os receptores apresentam três domínios LysM extracelulares que reconhecem os fa tores Nod de modo específico Figura 232 NFR1 e NFR5 também contêm domínios intracelulares semelhantes às proteínas quinase de serinatreonina de plantas mas so mente NFR1 apresenta atividade de quinase Apesar disso acreditase que as duas proteínas se liguem a fatores Nod no estado de heterodímero ver Figura 232 Após a ligação a fatores Nod o heterodímero NFR ini cia dois processos separados O primeiro envolve uma rota de sinalização que facilita o próprio processo de infecção O segundo envolve a ativação de um conjunto de genes que regulam a formação de nódulos na raiz Acreditase que um segundo tipo de receptor denominado receptor do tipo quinase de simbiose SYMRK symbiosis receptorlike kina se participe em ambos os processos SYMRK possui um domínio extracelular que inclui uma região com repetições ricas em leucina LRR leucine rich repeat e um domínio proteína quinase intracelular O receptor SYMRK é reque rido não só para a interação de leguminosas com rizóbios mas também para as interações da actinobactéria Frankia com as raízes de plantas actinorrízicas como a árvore Ca suarina glauca e a cucurbitácea Datisca glomerata Por isso ele é parte da rota comum de simbiose que é ativada tan to em associações com rizóbios e actinorrízicos quanto nas simbioses com micorrizas arbusculares Após a ligação aos fatores Nod acreditase que o SYMRK ative as etapas sub sequentes compartilhadas por essas associações incluindo as flutuações da concentração de cálcio spiking de cálcio para dentro e em torno do núcleo da célula infectada da epi derme o que causa a ativação dos genes simbióticos essen ciais Figura 233 As etapas finais que levam à nodulação envolvem a sinalização por citocinina ver Capítulo 15 Associações com micorrizas arbusculares e simbiose de fixação de nitrogênio envolvem rotas de sinalização Em leguminosas SYMRK e vários outros genes simbióticos essenciais são requeridos para a nodulação e para a formação da micorriza arbuscular Isso sugere que a interação entre le guminosas e rizóbios fixadores de nitrogênio evoluiu a partir de interações mais antigas entre plantas e fungos micorrízi cos Como já mencionado os sinaischave da simbiose são os oligossacarídeos de lipoquitina denominados fatores Nod Da mesma forma o fungo micorrízico arbuscular Glomus in traradices libera oligossacarídeos de lipoquitina denomina dos fatores Myc que estimulam a formação de micorrizas em uma grande diversidade de plantas As simbioses com fixadores de nitrogênio e com mi corrizas arbusculares também podem envolver receptores relacionados A Parasponia andersonii é uma árvore tropical 696 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento 1 A ligação dos fatores Nod aos receptores de fator Nod NFRs os quais contêm domínios LysM extracelulares inicia uma interação com receptores do tipo quinase SYMRK conservado contendo um domínio com repetições ricas em leucina 2 A interação entre NFR e SYMRK inicia oscilações de cálcio no núcleo provavelmente via uma segunda molécula mensageira 3 Os genes simbióticos essenciais são ativados 4 A sinalização por citocinina é iniciada 5 A sinalização por citocinina leva a alterações morfológicas associadas à nodulação 1 2 3 NFR1 NFR5 Fator NOD Domínio LRR Domínio quinase Domínio LysM Domínio quinase Oscilações de cálcio Núcleo Ativação dos genes simbióticos essenciais 4 Sinalização de citocinina 5 NODULAÇÃO NFR SYMRK Rota comum de simbiose FrFr 35 Ápice FrFr 35 Núcleo FrFr 35 0 1 2 3 4 5 Tempo min Célula Figura 232 Modelo para sinalização de fator Nod na epi derme da raiz De Gough e Cullimore 2011 Markmann e Parniske 2009 Figura 233 Oscilações de cálcio em um pelo emergente de raiz de ervilha Pisum sativum em resposta à adição de fator Nod A célula tinha sido previamente injetada com um fluorocromo sen sível ao cálcio Oscilações proeminentes de cálcio spiking de cálcio ocorrem em torno do núcleo com flutuações mais fracas no ápice Nenhuma fluorescência de cálcio ocorre na parte principal da célu la De Oldroyd e Downie 2004 cortesia de S Walker John Innes Centre Capítulo 23 Interações Bióticas 697 não leguminosa que estabelece simbiose com rizóbios fixadores de nitrogênio Embora essa planta esteja apenas remotamente relacionada a leguminosas ela apresenta um receptor LysM que é necessário para a formação de micorriza e para a nodulação das raízes induzida pela bac téria Rhizobium Os receptores de fator Nod são também relacionados a dois receptores identifi cados em Arabidopsis e arroz Oryza sativa an giospermas não noduladoras Esses receptores são necessários para a percepção de oligômeros de quitina relacionados à defesa compostos que são uma assinatura química dos fungos e são estruturalmente relacionados com fatores Nod e fatores Myc Isso sugere que durante a evolução um receptor LysM na planta envolvido na sina lização de defesa foi recrutado para ativar genes envolvidos em associações simbióticas Rizobactérias podem aumentar a disponibilidade de nutrientes estimular a ramificação da raiz e proteger contra patógenos As raízes das plantas fornecem um hábitat rico em nutrientes para a proliferação das bactérias do solo que se desenvolvem em exsudatos e lisados os quais podem representar até 40 do carbono total fixado pela fotossíntese As densidades de população de bactérias na rizosfera podem ser até 100 vezes mais elevadas do que no solo total e até 15 da superfície da raiz podem ser cobertos por microcolônias de várias cepas bacterianas Ao mesmo tempo que utilizam os nutrientes que são liberados da planta hospedeira essas bactérias também secretam metabólitos na rizosfera Um grupo amplamente definido como rizo bactérias promotoras do crescimento vegetal PGPR plant growth promoting rhizobacteria fornece vários benefícios para plantas em crescimento Figura 234 Por exemplo os voláteis produzidos pela bactéria Bacillus subtilis aumentam a liberação de prótons por raízes de Arabidopsis em meio de cultura com deficiência de ferro facilitando as sim a absorção desse elemento O aumento resultante no teor de ferro das plantas tratadas com voláteis de B subtilis está correlacionado com o maior teor de clorofila a maior eficiência fotossintética e o aumento de tamanho Os voláteis de B subtilis também modificam a arquitetura do conjunto de raízes pois alteram o comprimento das raízes e a densi dade de raízes laterais As PGPRs podem também controlar o acúmulo de or ganismos prejudiciais no solo como no caso da supressão do fungo patogênico Gaeumannomyces graminis por uma espécie de Pseudomonas que sintetiza o composto antifún gico 24diacetilfloroglucinol Os microrganismos PGPRs podem ainda fornecer proteção cruzada contra organismos patogênicos ativando a rota de resistência sistêmica induzida que será discutida mais adiante neste capítulo Além dis so vários estudos têm sugerido que Pseudomonas aerugino sa pode aliviar os sintomas de estresses biótico e abiótico pela liberação de antibióticos ou sideróforos para remoção de ferro ver Capítulo 13 As quantidades dos compostos liberados por P aeruginosa são controladas por sinalização por percepção de quorum quorum sensing que é ativado quando a densidade populacional da bactéria atinge deter minado nível As plantas podem influenciar a quantidade de antibióticos ou sideróforos lançados pelas rizobactérias pela produção de exsudatos da raiz que regulam rotas de quorum sensing bacterianas Interações nocivas entre plantas patógenos e herbívoros A patologia vegetal é o estudo de doenças de plantas Os microrganismos que provocam doenças infecciosas em plantas abrangem fungos oomicetos bactérias e ví rus A maioria dos fungos pertence aos Ascomicetos que Promoção das defesas vegetais pelas bactérias Regulação da percepção de quorum quorum sensing bacteriano pela planta Voláteis e sideróforos Antibióticos Patógenos do solo Cooperação e competição Rizobactérias promotoras do crescimento vegetal PGPRs Nutrientes outros exsudatos Percepção de quorum Figura 234 Diagrama das interações entre plantas e rizobactérias pro motoras do crescimento vegetal como Pseudomonas aeruginosa que libera antibióticos ou sideróforos para o solo aliviando o estresse abiótico ou biótico da planta A planta exerce controle sobre a população bacteriana mediante re gulação das rotas de sinalização do quorum sensing bacteriano pela liberação de exsudatos pelas raízes De Goh et al 2013 698 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento produzem esporos em esporângios chamados ascos e aos Basidiomicetos que produzem esporos em uma estrutura em forma de clava chamada basídio Os oomicetos são or ganismos semelhantes aos fungos que incluem alguns dos patógenos vegetais mais destrutivos da história incluindo o gênero Phytophthora causador da requeima da batata da Grande Fome Irlandesa 18451849 As bactérias fitopato gênicas também causam muitas doenças graves de plan tas mas estão em menor número e são menos devastado ras do que as doenças causadas por fungos e vírus Além de patógenos microbianos cerca da metade de quase 1 milhão de espécies de insetos se alimenta de plantas Em mais de 350 milhões de anos de coevolução plantainseto os insetos desenvolveram diversos estilos e comportamentos alimentares As plantas por sua vez desenvolveram mecanismos para se defender contra a her bivoria de insetos incluindo barreiras mecânicas defesas químicas constitutivas e defesas induzidas diretas e indi retas Aparentemente esses mecanismos de defesa têm sido eficazes uma vez que a maioria das espécies vegetais é resistente à maioria das espécies de insetos Na verdade cerca de 90 dos insetos herbívoros estão restritos a uma única família de plantas ou algumas espécies de plantas intimamente relacionadas enquanto apenas 10 são ge neralistas Isso sugere que a grande maioria das interações plantaherbívoro envolveu a coevolução Barreiras mecânicas fornecem uma primeira linha de defesa contra insetospraga e patógenos As barreiras mecânicas incluindo estruturas de superfície cristais minerais e movimentos foliares tigmonásticos in duzidos por toque muitas vezes fornecem uma primeira linha de defesa contra predadores e patógenos para muitas espécies vegetais As estruturas de superfície mais comuns são espi nhos gloquídios acúleos e tricomas Figura 235 Os es pinhos são ramos modificados como em citros e acácia gloquídios são estruturas agrupadas encontradas em al guns cactos os acúleos são oriundos principalmente da epiderme e portanto podem ser facilmente arrancados do caule como em roseiras Essas estruturas possuem extre midades pontudas e afiadas que protegem fisicamente as plantas contra herbívoros maiores como mamíferos em bora sejam menos eficazes contra herbívoros pequenos como os insetospraga que podem facilmente ultrapassar essas defesas e alcançar as partes comestíveis da folha Os tricomas proporcionam uma defesa mais eficaz con tra insetos com base em seus mecanismos de deterrência física e química Eles possuem formas variadas podendo ser simples ou glandulares Os tricomas glandulares ar mazenam metabólitos secundários específicos da espécie discutidos na próxima seção como fenóis e terpenos A B C D Figura 235 Exemplos de barreiras mecânicas desenvolvidas pelas plantas A Espinhos em um limoeiro Citrus sp são ramos modificados como pode ser visto por sua posição na axila de uma folha B Gloquídios que são carac terísticos de cactos Opuntia spp no Novo Mundo são folhas modificadas C Acúleos podem ser encontrados no caule e no pecíolo de roseiras Rosa spp e são formados pela epiderme D Tricomas em caules e folhas de to mateiro Solanum lycopersicum também são derivados de células epidérmicas Fotografias J Engelberth Capítulo 23 Interações Bióticas 699 em uma bolsa formada entre a parede celular e a cutícula Mediante contato essas bolsas rebentam e liberam seus conteúdos e o cheiro forte e o sabor amargo desses com postos repelem os insetos herbívoros As folhas da urtiga Urtica dioica possuem tricomas urticantes altamente especializados que formam uma bar reira física e química eficaz contra herbívoros maiores As paredes celulares desses tricomas ocos semelhantes a agu lhas são reforçadas com vidro silicatos e preenchidas com um desagradável coquetel de histamina ácido oxálico áci do tartárico ácido fórmico e serotonina Figura 236 o que pode causar grave irritação e inflamação Antes de entrar em contato a ponta do tricoma é coberta por uma pequena ampola vítrea com uma ponta afiada que facilmente se des prende quando tocada por um herbívoro ou um ser humano sem sorte que acidentalmente toca nela A pressão de con tato empurra o tricoma semelhante a uma agulha para baixo sobre o tecido esponjoso na base que atua como o êmbolo de uma seringa para injetar o coquetel na pele Além de servirem como barreiras à herbivoria de inse tos os tricomas quando dobrados ou danificados tam bém podem atuar como sensores de herbívoros mediante envio de sinais elétricos ou químicos às células adjacentes Tais sinais podem desencadear a indução de compostos de defesa no mesofilo da folha Um tipo diferente de obstáculo mecânico para a her bivoria é criado por cristais minerais que estão presentes em muitas espécies vegetais Por exemplo cristais de síli ca chamado fitólitos formamse nas paredes das células epidérmicas e por vezes nos vacúolos de Poaceae Os fi tólitos conferem dureza às paredes celulares e dificultam para os insetos herbívoros a mastigação das folhas de gra míneas As paredes celulares da cavalinha Equisetum hye male contêm tanta sílica que os nati vos nos Estados Unidos e no México usavam as hastes para polir panelas Os cristais de oxalato de cálcio estão presentes nos vacúolos de mui tas espécies e podem ser distribuídos uniformemente por toda a folha ou ficar restritos a células especializa das chamadas idioblastos ver Figu ra 135C Alguns cristais de oxalato de cálcio formam feixes de estruturas semelhantes a agulhas denominadas ráfides Figura 237 que podem ser prejudiciais para os herbívoros de maior porte Mais de 200 famílias de plantas contêm esses cristais incluin do espécies dos gêneros Vitis Agave e Medicago As ráfides apresentam os ápices extremamente afiados capazes de penetrar o tecido mole da garganta e do esôfago de um herbívoro Dieffenbachia uma planta doméstica tropical rica em ráfides é chamada de dumb cane canado mudo pois mascar as folhas leva à perda temporária da voz devido a uma reação inflamatória Além de causar O C H OH Ácido fórmico HO O Ácido tartárico OH OH OH O HO O Ácido oxálico OH O HO Serotonina N NH2 H NH2 N N H Histamina Compostos na urtiga Tricoma Figura 236 Tricomas de urtigas Urtica dioica têm uma base multicelular e uma única célula pontiaguda proeminente A pa rede celular dessa célula única é reforçada por silicatos e quebra facilmente mediante contato libertando um coquetel de me tabólitos secundários que podem causar grave irritação na pele de animais 40 µm Figura 237 Cristais de oxalato de cálcio ráfides em folhas de agave Agave weberi Essas ráfides são altamente empacotadas em células especializadas os idioblastos e liberadas quando a célula é danificada Observar o tamanho e as extremidades pontiagudas dessas estruturas 700 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento danos mecânicos as ráfides podem ainda permitir que ou tros compostos tóxicos produzidos pela planta penetrem pelos ferimentos que provocam Mesmo os cristais de oxa lato de cálcio prismáticos têm efeitos abrasivos sobre os apêndices bucais de insetos herbívoros especialmente as mandíbulas atuando assim como um impedimento me cânico para insetos moluscos e outros herbívoros Outro meio diferente de evitar a herbivoria é empre gado pela sensitiva Mimosa spp cujas folhas são com postas de muitos folíolos individuais que são conectados à nervura central por uma estrutura chamada de pulvino Esse pulvino funciona como uma dobradiça acionada pelo turgor permitindo que cada par de folíolos se dobre em resposta a vários estímulos incluindo toque dano calor e ciclos diurnos nictinastia e em resposta ao estresse hí drico Se um inseto herbívoro tenta morder um folíolo de mimosa o folíolo danificado dobrase imediatamente e a resposta logo propagase para os outros folíolos não da nificados Se o sinal de estresse for suficientemente forte toda a folha colapsa devido à ação de outro pulvino loca lizado na base do pecíolo Tais movimentos rápidos de fo líolos e folhas podem afastar insetos fitófagos e herbívoros pastejadores surpreendendoos Figura 238 Os metabólitos secundários vegetais podem afastar insetos herbívoros Os mecanismos de defesa química compreendem uma segunda linha de defesa contra pragas e patógenos As plantas produzem uma grande diversidade de produtos químicos que podem ser classificados como metabóli tos primários e secundários Os metabólitos primários são aqueles compostos que todas as plantas produzem e que estão diretamente envolvidos no crescimento e no desenvolvimento Isso inclui açúcares aminoácidos áci dos graxos lipídeos e nucleotídeos assim como molé culas maiores que são sintetizadas a partir deles como proteínas polissacarídeos membranas DNA e RNA Os metabólitos secundários ou metabólitos especializados ao contrário são altamente espécieespecíficos e em geral pertencem a uma das três principais classes de moléculas terpenos compostos fenólicos ou alcaloides Figura 239 ver também Ensaio 231 na internet Uma exceção im portante a essa regra é o grupo de cinco hormônios ve getais citocininas giberelinas brassinosteroides ácido abscísico e estrigolactona todos derivados de uma dessas rotas Porém eles são considerados metabólitos primários pois todas as plantas necessitam deles para seu crescimen to e desenvolvimento e portanto possuem a maquinaria bioquímica para sua síntese A auxina e o etileno são hor mônios sintetizados pelo metabolismo primário uma vez que seus precursores são aminoácidos A B Figura 238 As folhas da sensitiva Mimosa spp respondem ra pidamente em poucos segundos ao toque dobrando seus folíolos individuais Esse movimento rápido pode inibir insetos herbívoros A Folhas não tocadas controle B Folhas 5 segundos após o to que Fotografias J Engelberth INTERAÇÕES COM O AMBIENTE EXTERNO Respostas a estresses bióticos respostas a estresses abióticos e interações benéficas METABÓLITOS SECUNDÁRIOS METABOLISMO PRIMÁRIO Compostos fenólicos terpenos alcaloides Figura 239 Os metabólitos secundários estão localizados na in terface entre o metabolismo primário e a interação dos organismos com seu ambiente Como tal eles desempenham um papel impor tante na resposta de defesa da planta contra pragas e patógenos na regulação das interações benéficas incluindo a atração de poliniza dores e como moduladores da resposta ao estresse abiótico Capítulo 23 Interações Bióticas 701 As plantas armazenam compostos tóxicos constitutivos em estruturas especializadas As plantas podem sintetizar uma ampla gama de metabó litos secundários que apresentam efeitos negativos sobre o crescimento e o desenvolvimento de outros organismos e que podem portanto ser considerados como tóxicos Exemplos clássicos de plantas que são tóxicas para os seres humanos são a cicuta Cicuta spp e a dedaleira Digitalis spp Figura 2310 Os metabólitos que causam sintomas em seres humanos são bem conhecidos e demonstram o potencial dessas moléculas como agentes de defesa contra mamíferos herbívoros Em alguns casos esses compostos provaram ser úteis para fins medicinais Por exemplo o poliacetileno cicutoxina de cicuta prolonga a fase de re polarização de potenciais de ação neuronais presumi velmente pelo bloqueio dos canais de K dependentes de voltagem O princípio ativo na dedaleira a digitoxina é um cardenolídeo um dos dois grupos de glicosídeos car diotônicos esteroidais produzidos por plantas Os cardio glicosídeos são drogas usadas para tratar a insuficiência cardíaca e a arritmia cardíaca A digitoxina inibe a bomba de NaKATPase nas membranas das células do coração levando ao aumento da contração do miocárdio Os metabólitos secundários produzidos constitutiva mente e que se acumulam nas células poderiam potencial mente ter efeitos tóxicos sobre a própria planta Para evitar a toxicidade esses compostos devem ser armazenados de forma segura em compartimentos celulares à prova de va zamentos devendo também ser relativamente isolados de tecidos sensíveis devido a danos celulares que podem ser causados pelo vazamento As plantas portanto tendem a acumular metabólitos secundários tóxicos em organe las de armazenamento como vacúolos ou em estruturas anatômicas especializadas como canais resiníferos laticí feros células produtoras de látex ou tricomas glandula res Após um ataque por herbívoros ou patógenos as to xinas são liberadas e tornamse ativas no local do dano sem afetar negativamente as áreas vitais de crescimento Os canais resiníferos de coníferas encontrados no cór tex e no floema contêm uma mistura de diversos terpe nos incluindo monoterpenos bicíclicos como αpineno e βpineno terpenos monocíclicos como limoneno e terpi noleno e sesquiterpenos tricíclicos incluindo longifoleno cariofileno e ácidos δcadineno bem como ácidos resiní feros que são liberados imediatamente após dano por her bívoros Figura 2311 Uma vez liberados eles podem ser diretamente tóxicos a um inseto herbívoro ou atuar como um adesivo que pode unir as peças bucais do animal Em casos extremos a resina pode até envolver todo o inseto ou patógeno levando à morte do organismo agressor A maioria dos canais resiníferos em coníferas é consi derada defesa constitutiva embora também possa ser in duzida após um dano causado por herbívoros A formação desses canais resiníferos adventícios por vezes referidos como canais resiníferos de trauma assim como a biossíntese de resina é regulada pelo hormônio metiljasmonato um derivado do ácido jasmônico discutido mais adiante no capítulo Os laticíferos são compostos de células que pro duzem um líquido leitoso constituído de componentes emulsificados que coagulam após exposição ao ar Esse líquido muitas vezes também é referido como látex Em comparação com as resinas o látex normalmente é muito Cicutoxina Digitoxina HO O O O O O O O O H H H H H H OH OH OH OH HO OH A Cicuta sp B Digitalis sp Figura 2310 As defesas químicas constitutivas são eficazes contra muitos herbívoros diferentes incluindo insetos e mamíferos A cicuta Cicuta sp pro duz cicutoxina um poliacetileno que prolonga a repolarização de potenciais de ação neuronais O princípio ativo na dedaleira Digitalis sp é a digitoxi na um glicosídeo cardíaco que inibe a atividade ATPase e pode aumentar a contração do miocárdio Fotografia J Engelberth 702 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento mais complexo e pode conter proteínas e açúcares além de metabólitos secundários tóxicos ou repelentes Os lati cíferos podem consistir em uma série de células fusiona das laticíferos articulados ou uma célula longa sincicial laticíferos não articulados Figura 2312 A mais notável entre as plantas produtoras de látex é a seringueira He vea brasiliensis que tem sido cultivada comercialmente como fonte de borracha natural Mediante ferimento essa planta libera enormes quantidades de látex que é recolhi do e mais tarde convertido em borracha Essa borracha é constituída por um polímero de isopreno cis14poliiso preno e pode ter um peso molecular de até 1 milhão de Da Em condições naturais a borracha liberada por árvo res feridas defende a planta contra herbívoros e patógenos repelindoos ou prendendoos Canal resinífero A B C Células secretoras Células parenquimáticas Glóbulos de resina Traqueídes Resina δcadineno Ácido abiético Longifoleno Terpinoleno αpineno H O H H HO Laticífero articulado Núcleos Amoreira Morus sp Espirradeira Nerium oleander Células parenquimáticas Laticífero não articulado Figura 2311 A Canal resinífero no lenho de um pinheiro Araucaria sp Observase que o canal resinífero é circundado por células secretoras que liberam componentes de resina no seu siste ma B Mediante ferimento a resina é liberada no local danificado onde veda o dano e atua como repelente contra possível herbivoria C Componentes comuns da resina principalmente terpenos Fo tografia J Engelberth Figura 2312 Os laticíferos são compostos de células in dividuais e podem ocorrer como sistemas articulados células individuais ligadas por um pequeno tubo ou como sistemas não articulados uma grande célula sincicial O látex nos lati cíferos é liberado mediante dano e muitas vezes contém gli cosídeos cardiotônicos que repelem os herbívoros Enquanto a amoreira Morus sp produz um látex leitoso em seus laticí feros articulados a espirradeira Nerium oleander libera um látex claro a partir de laticíferos não articulados Fotografias J Engelberth Capítulo 23 Interações Bióticas 703 Outra planta comercialmente importante que pro duz látex é a papoula Papaver somniferum O látex dessa planta contém uma elevada concentração de opiáceos em particular a morfina e a codeína Quando consumidos es ses compostos ligamse a receptores opiáceos no sistema nervoso de herbívoros e exercem efeitos analgésicos O látex produzido por oficialdesala Asclepias curas savica e táxons afins como a espirradeira Nerium olean der contém quantidades significativas de cardenolídeos que estão presentes em altas concentrações nos laticíferos A atividade desses esteroides venenosos é semelhante à da digitoxina ver anteriormente e em concentrações eleva das pode resultar em parada cardíaca Os cardenolídeos também ativam centros nervosos no cérebro de vertebra dos induzindo vômito Os insetos herbívoros generalis tas sujeitos a esses compostos ou são repelidos ou sofrem espasmos que levam à morte Por outro lado as lagartas especialistas da borboletamonarca Danaus plexippus são insensíveis às toxinas Elas se alimentam de folhas de A curassavica e retêm os cardenolídeos Como consequência a maioria das aves insetívoras aprende rapidamente a evi tar tanto as larvas quanto as borboletamonarca adultas A coloração brilhante e distinta das lagartas e borboletas serve para alertar as aves O percevejo Oncopeltus fasciatus e o pulgão Aphis nerii do oficialdesala também podem incorporar os cardenolídeos em seus corpos e se tornar tóxicos Figura 2313 Apesar de todos esses insetos se alimentarem preferencialmente desta espécie o pulgão e o percevejo também podem se alimentar da espirradeira que produz oleandrina como seu principal cardenolídeo Outro fato interessante do oficialdesala é que a mos ca parasita Zenillia adamsoni pode obter o cardenolídeo de segunda mão da lagarta da borboletamonarca Quando a mosca fêmea está pronta para a oviposição ela procura uma lagartamonarca e deposita seus ovos em sua super fície Após a eclosão as larvas desenvolvemse dentro da lagarta e a consomem por dentro Além de usar a lagar ta para a alimentação as larvas da mosca são capazes de armazenar o cardenolídeo tóxico da lagarta e retêlo até a idade adulta Frequentemente as plantas armazenam moléculas de defesa no vacúolo como conjugados de açúcar hidrossolúveis e não tóxicos Um mecanismo comum para o armazenamento de meta bólitos secundários tóxicos é conjugálos a um açúcar o que também os torna mais hidrossolúveis Como já descri to a maioria dos cardenolídeos e outros esteroides tóxicos relacionados é abundante como glicosídeos no látex e tam bém em outros compartimentos da célula vegetal como no vacúolo Para se tornarem ativos as ligações glicosídicas com frequência precisam ser hidrolisadas e a ativação des controlada é impedida pela separação espacial das hidrola ses ativadoras e seus respectivos substratos tóxicos Um bom exemplo dessa separação espacial é encon trado na ordem Brassicales Os membros das Brassica les produzem glicosinolatos compostos orgânicos que contêm enxofre derivados de glicose e um aminoácido como seus principais metabólitos secundários de defesa ver Apêndice 4 na internet A enzima de hidrólise a mi rosinase uma tioglicosidase está armazenada em células diferentes daquelas onde estão os substratos Enquanto as células contendo mirosinase são geralmente livres de glicosinolatos as células ricas em enxofre ou células S contêm em altas concentrações Quando o tecido é danifi A Borboletamonarca Danaus plexippus B Percevejo de oficialdesala Oncopeltus fasciatus C Pulgão de oficialdesala Aphis nerii Figura 2313 Enquanto a maioria dos herbívoros é muito sensível aos metabólitos tóxicos presentes no látex de indivíduos de oficial desala e espirradeira alguns insetos herbívoros incorporam esses compostos em seus corpos e os mostram a seus potenciais predado res apresentando cores brilhantes Aqui são mostrados três insetos herbívoros especialistas que se alimentam dessas plantas produtoras de látex a lagarta da borboletamonarca A o percevejo de oficial desala B e o pulgão de oficialdesala C Destes os dois últimos usam a espirradeira como fonte de alimento se as plantas de oficial desala não estiverem disponíveis Fotografia J Engelberth 704 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento cado a mirosinase e a mistura de glicosinolatos são libera das resultando na produção irreversível de uma aglicona instável que em seguida reorganizase originando uma diversidade de compostos biologicamente ativos prin cipalmente nitrilas e isotiocianatos Figura 2314 Essas bombas de óleo de mostarda em particular os isotio cianatos são muito eficazes contra a maioria dos insetos herbívoros generalistas Os aromas de mostarda wasabi rabanete couvedebruxelas e outras espécies relaciona das são decorrentes da presença de isotiocianatos Os membros da família Poaceae que inclui todas as culturas de cereais usam benzoxazinoides alcaloides de rivados de triptofano como metabólitos secundários de defesa produzidos constitutivamente Benzoxazinoides especialmente 24dihidróxi14benzoxazin3ona DI BOA e seu derivado 24dihidróxi7metóxi14benzo xazin3ona DIMBOA normalmente são armazenados no vacúolo como glicosídeos ligados à Dglicose Glc Fi gura 2315 Após o dano os glicosídeos inativos são hi Glicose Glicose Glicosinolato Sinigrina Aglicona Nitrila Tioglicosidase Espontâneo Isotiocianato C S N R O SO3 C SH N R O SO3 SO4 2 R N C S R C N HO HO OH OH O O O O OK S S N Indol DIBOA DIBOAGlc DIMBOAGlc Vacúolo N H O O N OH OH O O N OH OGlc DIBOAGlc O O N OH OGlc O O N OH OGlc H3CO DIMBOAGlc O O N OH OGlc H3CO Figura 2314 Hidrólise de glico sinolatos em compostos voláteis da mostarda R representa vários substi tuintes alquila ou arila Por exemplo se R é CH2 CHCH2 o compos to é sinigrina o principal glicosinolato das sementes de mostardapreta e raízes de armorácia raizforte drolisados gerando agliconas que são tóxicas não só para insetos herbívoros mas também para patógenos Uma vez que a reação é reversível DIBOA e DIMBOA podem ser desintoxicados pela formação de glicosídeos uma reação catalisada por glicosiltransferases Os benzoxazinoides li berados no solo pelas raízes de milho Zea mays e outros membros da família Poaceae também são tóxicos para as plantas vizinhas mas podem ser desintoxicados por essas plantas por hidroxilação e reações de Nglicosilação Os glicosídeos cianogênicos representam particular mente uma classe de metabólitos secundários tóxicos que contém N Posterior ao dano nos tecidos esses glicosíde os são decompostos e liberam o ácido cianídrico HCN O cianeto inibe a citocromo c oxidase na mitocôndria que bloqueia a cadeia de transporte de elétrons Como conse quência o transporte de elétrons e a síntese de ATP chegam a um impasse e a célula finalmente morre Várias espécies vegetais de importância econômica e nutricional incluindo o sorgo Sorghum bicolor e a mandioca Manihot esculenta produzem diferentes tipos de glicosídeos cianogênicos O principal glicosídeo cianogênico do sorgo é a durrina que é derivada de tirosina e armazenada como um glicosídeo No entanto quando consumido por herbívoros o glicosí deo é rapidamente hidrolisado resultando em açúcar e uma aglicona que é muito instável e libera HCN Figura 2316 Figura 2315 Em membros da família Poaceae os benzoxazinoides alcaloides derivados da rota de trip tofano são os principais metabólitos secundários de defesa O composto 24dihidróxi14benzoxazin3 ona DIBOA e seu derivado 24dihidróxi7metó xi14benzoxazin3ona DIMBOA são armazenados no vacúolo como glicosídeos ligados à Dglicose Glc Após o dano os glicosídeos são hidrolisados e liberam as agliconas tóxicas Capítulo 23 Interações Bióticas 705 A mandioca acumula linamarina e lotaustralina como seus principais glicosídeos cianogênicos ver Figura 2316 As raízes da mandioca são fonte importante de proteína em regiões tropicais mas elas devem ser cuidadosamente preparadas para evitar toxicidade por cianeto O consumo contínuo de mandioca processada incorretamente mesmo com baixas concentrações endógenas de glicosídeos cia nogênicos pode levar à paralisia bem como a danos ao fígado e aos rins Há muitas outras plantas que produzem metabólitos secundários constitutivos e os armazenam em células ou compartimentos específicos de onde podem ser liberados após um dano causado por herbívoros ou patógenos Ape sar da presença de moléculas de defesa os seres huma nos muitas vezes apreciam essas plantas ou partes delas por suas propriedades medicinais ou sabores culinários Nenhuma prateleira de temperos estaria completa sem as folhas secas de manjericão sálvia tomilho alecrim e oré gano embora a única razão para os altos teores de meta bólitos secundários nessas plantas seja a proteção contra os danos causados por pragas e patógenos Os níveis constitutivos de compostos secundários são mais elevados em folhas jovens em desenvolvimento do que nos tecidos mais velhos A natureza indeterminada e modular do crescimento vege tativo de plantas significa que sempre haverá um gradiente de idade das folhas maduras para a gema apical A maioria dos mecanismos de defesa vegetal não é uniformemente dis tribuída através desse gradiente de idade mas os mecanis C O C R R N C OH C R R N N C O HC R R Glicosidase Açúcar Açúcar Glicosídeo cianogênico Ácido cianídrico Cianohidrina Hidroxinitrila liase ou espontâneo Cetona C HO HO OH OH O O HO HO OH O N O HO HO OH OH O O CH3 H3C C N HO HO O OH OH OH O HO O H OH OH O A B Durrina Amigdalina Lotaustralina Linamarina C N C N Figura 2316 A Hidrólise enzimática dos glicosídeos cianogê nicos para liberar ácido cianídrico B R e R em A representam vários substituintes alquila ou arila Por exemplo se R é fenil R é hidrogênio e o açúcar é um dissacarídeo βgentiobiose o compos to é amigdalina um glicosídeo cianogênico comum encontrado nas sementes de amêndoa damasco cereja e pêssego Outros com postos que liberam cianeto tóxico são durrina do sorgo bem como linamarina e lotaustralina da mandioca O grupo cianeto está mar cado por um círculo mos são continuamente ajustados por estímulos ambientais e de desenvolvimento De acordo com a hipótese da defesa ótima o suprimento limitado de compostos de defesa está concentrado onde é mais necessário para maximizar a ade quação ao ambiente Como as folhas maduras sofrem senes cência mais cedo do que as folhas mais jovens e portanto têm menos valor a hipótese prevê que as concentrações de metabólitos secundários devem ser maiores nas folhas mais jovens De fato um grande número de estudos tem mostrado que as folhas jovens em desenvolvimento têm níveis cons titutivos mais elevados de compostos secundários do que as folhas mais velhas A lista crescente de metabólitos secun dários que apresentam esse comportamento particular in clui compostos fenólicos glicosinolatos alcaloides cianeto furanocumarinas compostos orgânicos voláteis e proteínas de defesa Um padrão semelhante de distribuição também foi observado em tecidos subterrâneos Coerente com a hipótese da defesa ótima os tecidos jovens não só contêm os níveis mais altos de compostos secundários constitutivos mas também são mais sensíveis à herbivoria Assim as folhas mais jovens exibem defesas induzidas mais robustas contra os herbívoros do que as fo lhas mais velhas Respostas de defesa induzidas contra insetos herbívoros Enquanto as defesas químicas constitutivas proporcionam proteção básica para as plantas contra muitos predadores e patógenos e são comuns entre as plantas na natureza existem desvantagens para esse tipo de estratégia de de fesa Em primeiro lugar as defesas constitutivas têm alto custo para a planta A produção de metabólitos secundá rios requer um investimento significativo de energia deri vada do metabolismo primário que passa então a ser in disponível para uso no crescimento e na reprodução Essa compensação é mais evidente nas culturas agrícolas em que a produtividade é aumentada em parte pela redução da capacidade da planta de se defender Em segundo lu 706 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento gar predadores e patógenos podem se adaptar às defesas químicas constitutivas da planta como visto no caso da la gartamonarca e do oficialdesala Certas espécies de in setos herbívoros e patógenos microbianos desenvolveram mecanismos fisiológicos para desintoxicar metabólitos se cundários que de outro modo seriam letais podendo até mesmo usar esses compostos para se defender contra seus próprios predadores ou parasitas Consequentemente a maioria das plantas desenvolveu sistemas de defesa indu zida apesar de qualquer defesa constitutiva que possam ter Os sistemas de defesa induzida permitem que as plan tas respondam de forma mais flexível a todo o conjunto de ameaças apresentadas por predadores e patógenos Com base em seu comportamento alimentar três grandes categorias de insetos herbívoros podem ser dis tinguidas 1 Os sugadores de seiva como os afídeos e a moscabranca causam dano pequeno à epiderme e do mesofilo Os insetos sugadores inserem seu estilete estreito que é uma peça bucal alongada nos elementos de tubo cri vado floema de folhas e caules A resposta de defesa da planta a esses insetos é mais semelhante à resposta a patógenos do que a herbívoros Embora a extensão da injúria direta seja pequena esses insetos podem causar danos muito maiores quando são vetores de vírus 2 Os sugadores de conteúdo celular como ácaros e Thrips são insetos perfuradoressugadores que causam danos físicos de extensão intermediária às células vegetais 3 Os insetos mastigadores como lagartas larvas de ma riposas e borboletas gafanhotos e besouros causam os danos mais significativos às plantas Na discussão que segue neste capítulo a definição de herbivoria por insetos será restrita a esse tipo de dano Nos próximos parágrafos são discutidos alguns dos mecanismos pelos quais as plantas reconhecem os insetos herbívoros e como sinalizam defesas que incluem a síntese de novo de proteínas e de metabólitos secundários tóxicos além do recrutamento de inimigos naturais do agressor Os mecanismos pelos quais as plantas avisam as plantas vizinhas para se prepararem contra a herbivoria também são abordados As plantas podem reconhecer componentes específicos na saliva dos insetos Para estabelecer uma defesa induzida eficaz contra pra gas ou patógenos a planta hospedeira deve ser capaz de distinguir entre um dano mecânico como vento ou grani zo e um ataque biótico real A maioria das respostas das plantas aos insetos herbívoros envolve tanto a resposta ao ferimento quanto o reconhecimento de certos compostos abundantes na saliva ou na regurgitação dos insetos Es ses compostos pertencem a um grupo amplo de moléculas denominadas eliciadores os quais podem desencadear respostas de defesa vegetal contra uma diversidade de herbívoros e patógenos Um termo recentemente criado para eliciadores derivados de insetos é padrões molecula res associados a herbívoros HAMPs herbivoreassociated molecular patterns Embora em algumas plantas a lesão mecânica repetida possa induzir respostas similares àque las causadas por herbivoria algumas moléculas na saliva do inseto podem servir como promotores desse estímulo Além disso os eliciadores derivados de insetos podem de sencadear sistemicamente rotas de sinalização ou seja por toda a planta iniciando assim as respostas de defesa que podem minimizar danos futuros em regiões distais do vegetal ver também Ensaio 231 na internet Os primeiros eliciadores identificados na saliva dos insetos foram os ácidos graxos conjugados a aminoácidos ou ácidos graxos amidas nas secreções orais das larvas da lagartadabeterraba Spodoptera exigua Foi demonstra do que esses compostos eliciam uma resposta semelhan te àquela obtida com insetos mastigadores mas diferente da resposta observada quando somente a lesão mecânica é provocada A biossíntese desses conjugados depende da planta como fonte dos ácidos graxos linolênico 183 e li noleico 182 Após ingerir tecido vegetal contendo esses ácidos graxos uma enzima no trato digestório do inseto conjuga o ácido graxo oriundo da planta a um aminoáci do derivado do inseto em geral a glutamina Em algumas lagartas o composto resultante da conjugação do ácido li nolênico com a glutamina é processado pela adição de uma hidroxila na posição 17 do ácido linolênico Figura 2317A Esse composto N17hidroxilinolenoilLglutamina foi denominado volicitina devido a seu potencial de indução de metabólitos secundários voláteis em plantas de milho Desde a descoberta da volicitina diversos ácidos gra xos amidas foram identificados não só em espécies de lepidópteros mas também em grilos e moscasdafruta e a maioria deles exibiu atividade de eliciador quando aplicada nas plantas Enquanto os ácidos graxos amidas apresentam uma ampla gama de atividade entre dife rentes espécies vegetais pouco se sabe sobre os eventos de sinalização imediatos induzidos por esses compostos A volicitina ligase rapidamente às membranas plasmá ticas isoladas de folhas de milho de uma maneira típica de receptorligante Embora isso implique na existência de um receptor específico de ácido graxo amida na superfície da célula tal proteína ainda não foi identificada Os ácidos graxos modificados secretados por gafanhotos atuam como eliciadores de acúmulo de ácido jasmônico e emissão de etileno Uma nova classe de eliciadores derivados de insetos foi isolada e caracterizada a partir das secreções orais de um gafanhoto Schistocerca americana Até agora esses ilicia dores foram encontrados somente na subordem Caelifera sendo então denominados caeliferinas Figura 2317B Lembrese que a nomenclatura dos ácidos graxos é padronizada por XY onde X é o número de átomos de carbono e Y é o número de ligações duplas cis Capítulo 23 Interações Bióticas 707 As caeliferinas são também compostos baseados em áci dos graxos com uma cadeia de 15 a 19 carbonos e geral mente são saturadas ou monoinsaturadas Para caelife rinas do grupo A hidroxilas nas posições α e ω ômega são sulfatadas ver Figura 2317B Caeliferinas do grupo B são diácidos com um sulfato na posição α e uma glici na conjugada ao ω carboxil Em um bioensaio de voláteis com plântulas de milho a caeliferinaA161 mostrou ser o composto mais ativo desse grupo de eliciadores enquanto a caeliferinaA160 foi ativa em Arabidopsis A aplicação de caeliferina A no local de lesão em Arabidopsis induziu um pico transitório de produção de etileno e um aumento sig nificativo do acúmulo de ácido jasmônico em comparação com a planta que sofreu somente a lesão Até o momento a caeliferinaA160 é o único eliciador derivado de inseto com atividade biológica em Arabidopsis A atividade biológica de caeliferinas parece ser espé cieespecífica Nem as leguminosas ou as solanáceas res pondem a esse eliciador com aumento da sinalização de defesa Ao contrário dos ácidos graxos amidas as caelife rinas não derivam das plantas Além de apresentarem ca deias de comprimentos irregulares elas são caracterizadas por uma ligação dupla de configuração trans Nenhuma dessas características está presente em plantas sugerindo a origem dessas moléculas nos gafanhotos Os insetos sugadores ativam rotas de sinalização de defesa semelhantes àquelas ativadas por infecções por patógenos Embora os insetos sugadores como pulgões causem pou co dano mecânico às plantas eles são sérias pragas agrí colas e podem reduzir significativamente a produtivida de das culturas Na natureza as plantas desenvolveram mecanismos para reconhecer e se defender contra insetos sugadores de seiva do floema Diferentemente dos insetos perfuradoresmastigadores que infligem danos graves ao tecido resultando na ativação da rota de sinalização do ácido jasmônico discutido a seguir os sugadores ativam a rota de sinalização do ácido salicílico que geralmente está associada a infecções por agentes patogênicos Como a resposta de defesa para sugadores de seiva envolve complexos receptorligante que estão intimamente rela cionados àqueles envolvidos na resposta a patógenos os mecanismos de sinalização dessa classe de herbívoros são descritos no final do capítulo quando são discutidas as in fecções microbianas A sinalização de cálcio e a ativação da rota da MAPquinase são eventos iniciais associados à herbivoria de insetos Quando as plantas reconhecem eliciadores da saliva de in setos uma rede complexa de transdução de sinal é ativada Um aumento na concentração de Ca2 citosólico Ca2cit é um sinal precoce que medeia as respostas induzidas por eliciadores derivados de insetos Ca2 é um mensageiro se cundário ubíquo em múltiplas respostas celulares de todos os sistemas eucarióticos ver Capítulo 15 Sob condições normais Ca2cit é muito baixa cerca de 100 nM Após a estimulação por um eliciador os íons Ca2 são rapidamente liberados para o citosol a partir de compartimentos de reser va como mitocôndrias retículo endoplasmático vacúolos e parede celular Em seguida o aumento dos níveis de Ca2 no citosol ativa uma série de proteínasalvo como a calmoduli na e outras proteínas de ligação ao Ca2 bem como proteínas quinases dependentes de Ca2 que posteriormente ativam alvos a jusante da rota de sinalização Esses alvos a jusan te em geral incluem a fosforilação de proteínas e a ativação transcricional de respostas específicas ao estímulo Embora pouco se conheça sobre o papel detalhado do Ca2 na sinalização das defesas contra herbívoros evidên cias emergentes sugerem fortemente que ele desempenhe um papel importante Em feijãofava Phaseolus lunatus por exemplo os aumentos mais significativos na concen tração de Ca2 citosólico em resposta à herbivoria de inse tos ocorrem em camadas celulares mais próximas do local do dano mas também são detectáveis em níveis mais bai xos em tecidos mais distantes Em Arabidopsis um regulador da transcrição de liga ção à calmodulina chamado IQD1 foi identificado como um mediador importante das respostas de defesa contra insetos herbívoros O IQD1 ligase à calmodulina uma importante proteína de ligação ao Ca2 de modo depen Volicitina N17hidroxilinolenoilLglutamina CaeliferinaA161 CaeliferinaB161 O O OH N H H OH CH3 O NH2 O HO O O O O OH O O S S OH 1 2 O HO O O O N H OH O O S OH 1 3 A B Figura 2317 Estruturas dos principais eliciadores derivados de insetos A Conjugados de ácido linolênicoaminoácido como volicitina induzem a liberação de metabólitos secundários voláteis em plântulas de milho Esses compostos e seus análogos de ácido linoleico foram encontrados na regurgitação das larvas de várias es pécies de lepidópteros e mais recentemente em grilos e larvas de Drosophila B Caeliferinas foram isoladas e identificadas a partir da regurgitação de Schistocerca americana Caeliferinas no grupo A com hidroxilas nas posições α 1 e ω 2 são sulfatadas Caeliferinas no grupo B são diácidos com um sulfato na posição α 1 e uma glici na conjugada no ω carboxil 3 Pouco se conhece sobre a atividade biológica das caeliferinas do tipo B 708 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento dente de Ca2 e posteriormente ativa genes envolvidos na biossíntese de glicosinolatos Consequentemente a su perexpressão de IQD1 em Arabidopsis inibe a herbivoria Esses resultados são consistentes com o papel importante do Ca2 na regulação de mecanismos de defesa antiherbi voria em plantas Além do papel do Ca2 como ativador de defesas um estudo mais recente demonstrou que esse composto sina lizador também está envolvido na regulação para baixo downregulation da sinalização de defesa em particular a rota do ácido jasmônico Pelo silenciamento gênico indu zido por vírus de duas proteínas quinase dependentes de cálcio CDPKs calciumdependent protein kinases no tabaco selvagem Nicotiana attenuata demonstrouse que o acú mulo de ácido jasmônico após a herbivoria continuou por um período muito mais longo do que em plantas do tipo selvagem Consequentemente as plantas silenciadas tam bém produziram mais metabólitos de defesa e retardaram de maneira significativa o crescimento de um herbívoro especialista a lagarta da folha do tabaco Manduca sexta A sinalização de defesa induzida por insetos herbí voros também envolve vários tipos de proteínas quinase ativadas por mitógenos MAPKs mitogenactivated protein kinases No tabaco o silenciamento induzido por vírus dos genes para a proteína quinase induzida por lesão WIPK woundinduced protein kinase e para a proteína quinase induzida por ácido salicílico SIPK salicylic acidinduced protein kinase membros da família MAPK revelou que ambos estão envolvidos na regulação de defesas anti herbivoria Esses genes são significativamente induzi dos após a herbivoria de insetos e o tratamento com os eliciadores ácidos graxos amidas SIPK e WIPK também parecem ser essenciais para os diferentes aspectos da rota do ácido jasmônico discutida mais adiante neste capí tulo O silenciamento de SIPK afeta principalmente as primeiras etapas na rota biossintética do ácido jasmônico enquanto as plantas silenciadas para WIPK são prejudica das em etapas posteriores dessa rota No tomateiro pelo menos três MAPKs diferentes são necessárias para ativar completamente defesas contra as lagartas do tabaco Da mesma forma o acúmulo de ácido jasmônico e a produ ção de metabólitos de defesa foram reduzidos de maneira significativa em plantas silenciadas para esses três genes Esses exemplos demonstram a importância de um conjun to diversificado de MAPKs na regulação da defesa vegetal contra insetos herbívoros O ácido jasmônico ativa respostas de defesa contra insetos herbívoros Uma importante rota de sinalização envolvida na maioria das defesas das plantas contra insetos herbí voros é a rota dos octadecanoides que leva à produção do hormônio ácido jasmônico AJ ver Capítulo 15 Junto com outros produtos derivados de ácidos graxos oxigenados os octadecanoides pertencem à família das oxilipinas Os níveis AJ aumentam rapidamente em resposta ao dano causado por insetos herbívoros desencadeando a formação de muitas proteínas envol vidas nas defesas vegetais A demonstração direta da ação do AJ na resistência a insetos tem sido resultado de pesquisas em linhagens mutantes de Arabidopsis tomateiro e milho Tais mutantes são facilmente mor tos por insetospraga que normalmente não danifi cam plantas do tipo selvagem A aplicação de AJ exó geno restabelece a resistência em níveis próximos aos observados nas plantas selvagens A estrutura e a biossíntese do AJ têm intrigado os botânicos devido à semelhança com oxilipinas que são os centros das respostas inflamatórias e de outros processos fisiológicos em mamíferos Em vegetais o AJ é sintetizado a partir do ácido linolênico 183 COOH COOH COOH O O O OOH Lipoxigenase HOOC HOOC Ciclização Redução e βoxidação Ácido jasmônico Ácido linolênico Ácido 13hidro peróxi linolênico COOH O Ácido 12oxofito dienoico OPDA Citosol Ácido 12oxo fitodienoico Cloroplasto Peroxissomo Figura 2318 Etapas na rota de conversão do ácido linolênico 183 em ácido jasmônico A primeira etapa enzimática ocorre no cloroplasto resultando em um produto cíclico o ácido 12oxofito dienoico OPDA Esse intermediário é transportado para o peroxis somo onde é inicialmente reduzido e após convertido em ácido jasmônico por βoxidação Capítulo 23 Interações Bióticas 709 que é liberado dos lipídeos da membrana plasmática e en tão convertido em AJ conforme ilustrado na Figura 2318 Duas organelas participam na biossíntese do AJ cloroplas tos e peroxissomos No cloroplasto um intermediário deri vado do ácido linolênico é transformado em um composto cíclico e após transportado para o peroxissomo onde as enzimas da rota de βoxidação ver Capítulo 12 comple tam a conversão em AJ ver Ensaio 233 na internet O AJ induz a transcrição de vários genes que codificam enzimas chave em todas as principais rotas para a produção dos metabólitos secundários O ácido jasmônico atua por um mecanismo conservado de sinalização de ubiquitina ligase O AJ não só ativa os genes relacionados à defesa mas tam bém desliga o crescimento A supressão do crescimento in duzida por AJ permite a realocação de recursos para rotas metabólicas envolvidas na defesa O AJ atua mediante um mecanismo conservado de sinalização baseado na ubiquiti na ligase o qual tem estreita semelhança com aqueles des critos para auxinas e giberelinas Figura 2319 ver Capítulo 15 Embora o AJ não conjugado seja hormonalmente ativo muitas respostas ao AJ necessitam da ativação desse hormô nio mediante conversão em um conjugado de aminoácido como ácido jasmônicoisoleucina AJIle para uma ativida de ideal Essa conjugação é realizada por enzimas denomi nadas proteínas de resistência ao ácido jasmônico JAR jasmonic acid resistance pertencentes à família de enzimas de conjugação de ácido carboxílico A JAR1 por exemplo exibe alta afinidade de substrato para AJ e isoleucina e parece ser de especial importância para a sinalização de defesa depen dente de AJ Quando os níveis de AJ estão baixos a expressão de genes de resposta ao jasmonato é reprimida por membros da família de proteínas JAZ JAZMONATE ZIMDOMAIN as quais são reguladoreschave da resposta ao jasmonato Os repressores JAZ atuam pela ligação do fator de transcri ção MYC2 com função na ativação dos genes dependentes de AJ Além disso esses repressores mantêm a cromatina em estado fechado impedindo a ligação dos fatores de transcrição de resposta ao AJ aos seus genesalvo Para manter a cromatina no estado inativo as proteínas JAZ ligamse à proteína Fbox COI1 que é um componente essencial do complexo de proteína de SCFCOI1 um complexo multiproteico ubiquitina E3 ligase Duas proteínas adicio nais e duas enzimas histonas desacetilase HDA6 e HDA19 atuam como correpressores junto com o complexo JAZCOI1 e são importantes na manutenção da cromatina no estado inativo ver Figura 2319 A ligação de AJIle ao correcep tor JAZCOI1 leva à ubiquitinação de JAZ pelo complexo SCFCOI1AJIle seguida pela degradação de JAZ via proteasso mo 26S ver Figura 2319 A destruição de JAZ libera o fator de transcrição MYC2 que após recruta várias outras proteí nas de remodelamento de cromatina e fatores de transcrição que levam à expressão de genes de resposta ao AJ Interações hormonais contribuem para as interações entre plantas e insetos herbívoros Vários outros agentes de sinalização incluindo etileno ácido salicílico e metilsalicilato com frequência são indu zidos por insetos herbívoros Em particular o etileno pa rece desempenhar um papel importante nesse contexto Quando aplicado isoladamente às plantas o etileno tem pouco efeito sobre a ativação de genes relacionados à de SCF COl1 SCF COl1 AJlle AJlle SCF COl1 AJlle MYC2 DNA Sem transcrição JAZ MYC2 JAZ Transcrição Ubiquitina Poliubiquitinação Proteassomo 26S Degradação Ativação 1 AJIle forma um complexo com SCFCOl1 2 O complexo SCFCOl1AJIle ligase ao repressor JAZ removendoo do fator de transcrição MYC2 O complexo também leva JAZ à ubiquitinação 3 MYC2 é ativado e transcreve genes dependentes de AJ 4 JAZ ubiquitinado é degradado por proteassomos Figura 2319 Sinalização por ácido jasmônico O ácido jasmô nico necessita ser inicialmente conjugado a um aminoácido aqui a isoleucina para se ligar à COI1 como parte de um complexo pro teico SCFCOI1 Esse complexo marca JAZ um repressor de transcri ção levando à degradação dessas proteínas em um proteassomo Fatores de transcrição como MYC2 iniciam então a transcrição de genes dependentes de AJ incluindo aqueles para a defesa 710 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento fesa No entanto quando aplicado junto com AJ parece aumentar as respostas a esse hormônio Do mesmo modo quando as plantas são tratadas com eliciadores como áci dos graxos amidas que por si só não induzem a produção de quantidades significativas de etileno em combinação com etileno as respostas de defesa são significativamen te aumentadas Resultados como esses demonstram que é necessária uma ação conjunta desses compostos de sina lização para a ativação completa das respostas de defesa induzidas O controle multifatorial permite que as plantas integrem vários sinais ambientais na modulação da res posta de defesa O ácido jasmônico inicia a produção de proteínas de defesa que inibem a digestão de herbívoros Além de ativar as rotas para a produção de metabólitos secundários tóxicos ou repelentes o AJ também inicia a biossíntese de proteínas de defesa A maior parte dessas proteínas interfere no sistema digestório de herbívoros Por exemplo algumas leguminosas sintetizam inibidores da αamilase que bloqueiam a ação da enzima αamilase responsável pela digestão de amido Outras espécies vege tais produzem lectinas proteínas de defesa que se ligam a carboidratos ou a proteínas contendo carboidratos Após a ingestão por um herbívoro as lectinas ligamse às células epiteliais que revestem o trato digestório e interferem na absorção de nutrientes Um ataque mais direto sobre o sistema digestório do inseto herbívoro é realizado por algumas plantas por meio da produção de uma protease de cisteína capaz de romper a membrana peritrófica que protege o epitélio in testinal de muitos insetos Embora nenhum desses genes seja essencial para o crescimento vegetativo da planta eles provavelmente evoluíram a partir de genes constitu tivos durante a coevolução de plantas e de seus insetos herbívoros As proteínas antidigestivas mais bem conhecidas nos vegetais são os inibidores de proteases Encontradas nas leguminosas no tomateiro e em outros vegetais tais subs tâncias bloqueiam a ação das enzimas proteolíticas protea ses dos herbívoros Estando no trato digestório desses ani mais elas ligamse especificamente ao sítio ativo de enzimas proteolíticas como tripsina e quimotripsina impedindo a digestão das proteínas Insetos que se alimentam de plantas contendo inibidores de protease sofrem redução nas taxas de crescimento e desenvolvimento o que pode ser compensado pela suplementação de aminoácidos em sua dieta A função dos inibidores de protease na defesa vegetal tem sido confirmada por experimentos com tabaco trans gênico As plantas transformadas para acumular níveis aumentados de inibidores de proteases sofreram menos danos causados por insetos herbívoros do que as plantas não transformadas Tal como acontece com os glicosinola tos alguns insetos herbívoros se adaptaram aos inibidores de proteases produzindo proteases digestivas resistentes à inibição Os danos causados por herbívoros induzem defesas sistêmicas Durante o ataque de herbívoros o dano mecânico libe ra enzimas líticas da planta que podem comprometer as barreiras estruturais dos tecidos vegetais Alguns dos produtos gerados por essas enzimas podem atuar como eliciadores endógenos chamados padrões moleculares associados ao dano DAMPs damage associated molecular patterns Como será discutido adiante os DAMPs são re conhecidos por receptores de reconhecimento de padrões PRRs pattern recognition receptors localizados na superfí cie da célula Os DAMPs em geral surgem no citoplasma e podem induzir proteção contra uma ampla gama de or ganismos uma resposta conhecida como imunidade inata Os oligogalacturonídeos liberados pela parede celular por exemplo podem agir como eliciadores endógenos embora o sistema de percepção permaneça indefinível No tomateiro o ataque de um inseto leva a um rápi do acúmulo de inibidores de protease em toda a planta mesmo em áreas não danificadas distantes do local do ataque A produção sistêmica de inibidores de proteases nas plantas jovens de tomateiro é desencadeada por uma sequência complexa de eventos Figura 2320 1 As folhas danificadas de tomateiro sintetizam pró sistemina uma proteína precursora grande 200 aminoácidos 2 A prósistemina é processada proteoliticamente e produz um pequeno polipeptídeo 18 aminoácidos DAMP chamado sistemina 3 A sistemina é liberada no apoplasto pelas células da nificadas 4 No tecido adjacente parênquima floemático a sis temina ligase a seu receptor de reconhecimento de padrões na membrana plasmática ver seção Defesas vegetais contra patógenos e Ensaio 234 na internet 5 O receptor da sistemina ativado tornase fosforilado e ativa a fosfolipase A2 PLA2 6 A PLA2 ativada gera o sinal que inicia a biossíntese de AJ 7 O AJ é então transportado via floema sistemicamen te pela planta por um mecanismo ainda desconhe cido 8 O AJ é captado pelos tecidosalvo e ativa a expressão de genes que codificam os inibidores de proteases Embora se acreditasse que os sinais peptídicos como a sistemina eram restritos às solanáceas nos últimos anos tornouse claro que espécies de outras famílias também produzem peptídeos como moléculas de sinalização em resposta à herbivoria Recentemente um peptídeo sinal ZmPep3 foi identificado no milho em resposta ao trata mento com eliciador derivado de insetos Descobriuse que o ZmPep3 derivado do precursor ZmPROPEP3 era capaz de eliciar respostas de defesa antiherbivoria in cluindo a produção de benzoxazinoides e a liberação de compostos voláteis Como são produzidos em resposta ao Capítulo 23 Interações Bióticas 711 Sistemina polipeptídeo com ação hormonal Receptor de sistemina N C Clivagem Prósistemina PLA2 Cloroplasto Peroxissomo Ácido jasmônico AJX AJ Biossíntese do ácido jasmônico ver Figura 2318 Cascata MAPK SISTÊMICO LOCAL Resposta local Núcleo Genesalvo Célula do parênquima floemático Célula companheira Sistema vascular Célulasalvo Translocação no floema Ativação dos genes inibidores de protease Reconhecimento do sinal e resposta Transporte do sinal Geração do sinal Plasmodesmos Núcleo Genesalvo Ácido linolênico COOH O COOH Figura 2320 Rota de sinalização proposta para a rápida in dução da biossíntese de inibidor de protease em plantas de toma teiro danificadas Essas folhas danificadas embaixo à esquerda da figura sintetizam prósistemina nas células do parênquima flo emático e esse peptídeo é processado proteoliticamente resul tando em sistemina A sistemina é liberada das células parenqui máticas do floema e ligase a receptores na membrana plasmática das células companheiras adjacentes Isso ativa uma cascata de sinalização que envolve a fosfolipase A2 PLA2 e a proteínas qui nase ativadas por mitógeno MAPK resultando na biossíntese de ácido jasmônico AJ O AJ é então transportado pelos elemen tos de tubo crivado possivelmente de forma conjugada AJX às folhas intactas onde inicia uma rota de sinalização nas células alvo do mesofilo resultando na ativação dos genes de inibidores de protease Os plasmodesmos facilitam a dispersão do sinal em várias etapas da rota 712 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento tratamento com eliciador esses peptídeos parecem servir como intensificadores da resposta de defesa como no caso da sistemina Ortólogos do própeptídeo ZmPROPEP3 são encontrados também em outras famílias vegetais in cluindo Fabaceae leguminosas e podem representar os análogos funcionais da sistemina em outras famílias além das Solanaceae Genes de receptor tipo glutamato GLR são necessários para a sinalização elétrica de longa distância durante a herbivoria Em resposta à herbivoria o AJ acumulase em poucos minutos tanto localmente no sítio do dano causado pelo herbívoro quanto distalmente em tecidos intactos da mesma folha e de outras folhas Embora as plantas não possuam sistema nervoso várias evidências são coerentes com o papel de sinalização elétrica em respostas de de fesa que ocorrem a alguma distância do local do dano causado pelo herbívoro Por exemplo o forrageio da larva do curuquerê do algodoeiro egípcio Spodoptera littoralis nas folhas de feijoeiro induz uma onda de despolarizações que se propaga para áreas não danificadas da folha Além disso a despolarização da membrana plasmática induzida por ionóforo em células de tomateiro resulta na expressão de genes regulados por jasmonato Medições de potencial de superfície em folhas de Arabi dopsis em resposta à mastigação pela larva de S littoralis con firmaram o papel da sinalização elétrica na propagação da resposta de defesa por jasmonato nas folhas não danificadas Durante o forrageio os sinais elétricos induzidos próximos ao local do ataque posteriormente se propagam para as fo lhas vizinhas a uma velocidade máxima de 9 cm por minuto Figura 2321 Uma vez que a transmissão do sinal elétrico é mais eficiente para folhas diretamente acima ou abaixo da folha lesada o sistema vascular é um bom candidato para a Sinalização elétrica Ácido jasmônico Ácido jasmônico Respostas de defesa Respostas de defesa Canal GLR Respostas de defesa Respostas de defesa Respostas de defesa Figura 2321 Modelo para a resposta de sinalização elétrica de Arabidopsis ao ataque de herbívoros A lesão na folha causada por herbivoria ativa canais iônicos dos recepto res tipo glutamato GLR no sistema vascular Acreditase que os sinais elétricos se deslo quem através do sistema vascular e estimulem a produção do ácido jasmônico AJ tanto lo calmente como em outras folhas A produção de AJ em seguida inicia as respostas de defe sa que desencorajam ainda mais a herbivoria De Christmann e Grill 2013 transmissão dos sinais elétricos às outras folhas Em todos os sítios que recebem os sinais elétricos a expressão gênica mediada por jasmonato é ligada e inicia a expressão de ge nes de resposta de defesa Uma família de genes de receptor tipo glutamato GLR glutamate receptorlike foi identificada em triagens de mutantes com sinalização elétrica defeituosa No mutante duplo glr33glr36 a onda elétrica não se pro paga após o dano e a expressão de genes de resposta ao jasmonato é reduzida nas folhas distantes do local lesado A evidência sugere que em algumas plantas pelo menos os genes GLR os quais foram anteriormente vinculados ao re conhecimento de outros padrões moleculares relacionados a microrganismos são responsáveis pela sinalização de defesa de longa distância em resposta à herbivoria A relação da si nalização elétrica com outros tipos de sinalização de defesa de longa distância não está clara Os voláteis induzidos por herbívoros podem repelir herbívoros e atrair inimigos naturais A indução e a emissão de compostos orgânicos voláteis também referidos como voláteis em resposta ao dano causado pela herbivoria por insetos fornecem um excelente exemplo das funções ecológicas complexas dos metabólitos secundários na natureza Com frequência a combinação de moléculas emitidas é exclusiva para cada espécie de insetos herbívoros e em geral inclui representantes das três princi pais rotas do metabolismo secundário terpenos alcaloides e compostos fenólicos ver Ensaio 231 na internet Além disso em resposta ao dano mecânico todas as plantas emitem produtos derivados de lipídeos como os voláteis de folhas verdes uma mistura de aldeídos de seis carbo nos alcoóis e ésteres ver Ensaios 235 236 na internet As funções ecológicas desses voláteis são muitas Figura 2322 Com frequência eles atraem inimigos naturais do inseto atacante predadores ou parasitas que utilizam os voláteis como sinais para encontrar suas presas ou hospedeiros para sua progê nie Como observado anteriormente no milho o eliciador volicitina que está presente na saliva da lagartadabeter raba Spodoptera exigua pode induzir a síntese de produtos voláteis que atraem Capítulo 23 Interações Bióticas 713 parasitoides Plântulas de milho tratadas com concentra ções muito baixas de volicitina liberam quantidades rela tivamente grandes de terpenos que atraem as diminutas vespas parasitoides Microplitis croceipes Por outro lado os voláteis liberados pelas folhas durante a oviposição postu ra de ovos da mariposa podem atuar como repelentes para outras mariposas fêmeas impedindo assim a nova ovi posição e a herbivoria Muitos desses compostos embora voláteis permanecem ligados à superfície da folha e atuam como inibidores do forrageio devido a seu sabor Os vegetais são capazes de distinguir entre várias es pécies de insetos herbívoros e responder diferencialmente a cada uma delas Por exemplo N attenuata uma espécie selvagem de tabaco encontrada nos desertos da Great Ba sin Estados Unidos produz níveis altos de nicotina mo lécula tóxica para o sistema nervoso central do inseto En tretanto quando a planta é atacada por lagartas tolerantes à nicotina não há aumento nos níveis desse alcaloide Em vez disso elas liberam terpenos voláteis que atraem inse tos predadores das lagartas ver Ensaio 231 na internet Evidentemente as espécies selvagens de tabaco e outras plantas devem possuir maneiras de determinar qual tipo de herbívoro é danoso às suas folhas Os herbívoros de vem sinalizar sua presença pelo tipo de dano que causam ou pelos compostos químicos distintos que liberam em suas secreções orais Os voláteis induzidos por herbívoros podem servir como sinais de longa distância entre as plantas O papel dos voláteis vegetais induzidos por herbívoros não se limita à mediação de interações ecológicas entre plantas e insetos Certos voláteis emitidos por plantas infestadas também podem servir como sinais às plantas vizinhas para iniciarem a expressão de genes relacionados à defe sa ver Figura 2322 Além de vários terpenos os voláteis de folhas verdes atuam como sinais potentes nesse pro Parte aérea Nematódeos parasitas de insetos Atração de inimigos naturais Atração de inimigos naturais Repelência de outros herbívoros Alerta para plantas vizinhas priming Mariposas fêmeas Predadores e parasitas Respostas sistêmicas ativadas HIPV HIPV HIPV HIPV Parte subterrânea Figura 2322 Funções ecológicas dos voláteis de vegetais induzi dos por insetos herbívoros HIPVs herbivoreinduced plant volatiles Muitas plantas liberam uma fragrância específica de compostos orgâ nicos voláteis quando atacadas por insetos herbívoros Esses produtos voláteis podem consistir em compostos de todas as principais rotas de metabólitos secundários incluindo terpenos mono e sesquiterpe nos alcaloides indol e fenilpropanoides metilsalicilato bem como os voláteis de folhas verdes Esses voláteis podem atuar como pistas para os inimigos naturais do inseto herbívoro por exemplo as vespas parasitas As partes subterrâneas das plantas podem também liberar compostos voláteis quando atacadas por herbívoros Foi demonstrado que os voláteis atraem nematódeos parasitas de insetos Os voláteis também atuam como repelentes para mariposas fêmeas evitando assim a oviposição Mais recentemente descobriuse que os voláteis atuam como sinais de defesa sistêmica em plantas altamente setori zadas com conexões vasculares interrompidas e também em curtas distâncias entre plantas Assim esses sinais voláteis preparam a planta receptora contra a herbivoria iminente por respostas de defesa pre paratórias priming resultando em uma resposta mais rápida e mais forte quando a planta receptora for realmente atacada 714 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento cesso Os voláteis de folhas verdes que são semelhantes às oxilipinas AJ produzidas a partir do ácido linolênico são os principais componentes do aroma familiar de gra ma recémcortada ver Ensaio 235 na internet A rota biossintética inicia com o ácido 13hidroperóxilinolênico e é catalisada pela enzima hidroperóxido liase HPL Os produtos principais dessa rota são Z3hexenal Z3 hexenol e acetato de Z3hexenil e seus respectivos E2 enantiômeros Adicionalmente essa rota produz ácido 12oxoZ9decenoico o precursor natural de traumatina o primeiro hormônio de lesão descrito para as plantas Embora a rota de HPL tenha sido caracterizada há 100 anos só recentemente ganhou importância quando foi demonstrado que os produtos voláteis dessa rota de sina lização servem como potentes sinais inter e intraplantas Quando as plantas de milho foram expostas a substân cias voláteis de folhas verdes o AJ e a expressão gênica relacionados ao AJ foram rapidamente induzidos Mais importante porém foi a constatação de que a exposição a substâncias voláteis de folhas verdes preparou as defesas da planta de milho para responder mais fortemente a ata ques posteriores por insetos herbívoros Foi demonstrado que os voláteis de folhas verdes preparam ou sensibilizam os mecanismos de defesa de várias outras espécies vege tais incluindo feijãofava P lunatus artemísia Artemisia tridentata Arabidopsis thaliana choupo Populus tremula e mirtilo Vaccinium spp Além disso eles ativam a pro dução de fitoalexinas e outros compostos antimicrobianos discutido na seção seguinte ver também Ensaio 236 na internet e parecem desempenhar um papel importante nas estratégias gerais de defesa das plantas Os voláteis induzidos por herbívoros também podem atuar como sinais sistêmicos em uma mesma planta Além de fornecerem um sinal para plantas vizinhas plantas infestadas podem também enviar um sinal vo látil para outras partes de si mesmas ver Figura 2322 De um ponto de vista evolutivo essa pode ser a função original desses voláteis Foi demonstrado que os voláteis atuam como indutores de resistência a herbívoros entre ramos diferentes de artemísia e verificouse que o fluxo de ar era essencial para a indução da resistência induzida A artemísia como outras plantas do deserto é altamente setorial ou seja o sistema vascular da planta não está bem integrado por interconexões Embora muitas plantas sejam capazes de responder de forma sistemática aos herbívoros por meio de sinais químicos que se movem internamente através de interconexões vasculares a artemísia e muitas outras espécies do deserto são incapazes de fazêlo Em vez disso os voláteis são usados para superar essas limita ções e proporcionar a sinalização sistêmica Foi observado um efeito semelhante de voláteis em feijãofava que uti liza nectários extraflorais localizados na base de lâminas foliares para atrair artrópodes predadores e parasitoides para protegêlo contra vários tipos de herbívoros Figura 2323 Por exemplo quando besouros atacam plantas de feijãofava voláteis em particular voláteis de folhas ver des são liberados imediatamente do local de dano e sina lizam para outras partes da mesma planta para ativar suas defesas incluindo a produção de néctar extrafloral As respostas de defesa contra herbívoros e patógenos são reguladas por ritmos circadianos Muitos aspectos do metabolismo e do desenvolvimento vegetais são regulados por ritmos circadianos ver Capítu lo 20 Estimase que cerca de um terço de todos os genes de plantas exibam regulação circadiana em sua expressão A lista de genes com a transcrição regulada ciclicamente inclui não só os previsivelmente envolvidos na fotossín tese no metabolismo de carbono e na absorção de água mas muitos genes envolvidos na defesa das plantas Essa observação levou à proposta de que a resistência à herbi voria por insetos poderia estar sob o controle circadiano Essa hipótese foi confirmada recentemente por um estudo das interações entre Arabidopsis e a lagartada couve Trichoplusia ni um lepidóptero herbívoro genera lista Figura 2324A Tanto esse herbívoro quanto a defesa da planta mediada por jasmonato seguem os ritmos circa dianos com pico durante o dia Isso sugere que o momen to da resposta de defesa mediada por jasmonato pode ser uma adaptação que maximiza a defesa contra herbívoros Para testar se o relógio circadiano vegetal aumenta a de fesa contra insetos predadores a herbivoria foi comparada em plantas de Arabidopsis cujas respostas de defesa me diadas por jasmonato estavam ou em fase Figura 2324B ou fora de fase Figura 2324C com o ritmo circadiano da atividade alimentar da lagartadacouve Após deixar a lagarta forragear livremente sobre as plantas durante 72 horas as plantas cujas respostas foram de defesa em fase com as lagartas apresentavam visivelmente menos danos aos tecidos do que as plantas cujo ritmo circadiano estava fora de fase com o dos insetos Figura 2324D Como re sultado durante o mesmo período as lagartas que se ali mentaram de plantas de Arabidopsis que mudaram de fase ganharam três vezes mais peso que as plantascontrole sincronizadas Figura 2324E Figura 2323 Nectários extraflorais de feijãofava Phaseolus lunatus Capítulo 23 Interações Bióticas 715 O ácido salicílico que medeia as respostas de defesa contra organismos patogênicos mostrou acúmulo pro gressivo em fase oposta em relação ao jasmonato com pi cos que ocorrem no meio da noite Esse acúmulo diurno de salicilatos pode contribuir para o aumento da resistência de Arabidopsis contra bactérias patogênicas quando a infec ção ocorre no início da manhã em oposição ao anoitecer Os insetos desenvolveram mecanismos para anular as defesas vegetais A despeito dos mecanismos químicos que as plantas de senvolveram para se protegerem os insetos herbívoros ad quiriram evolutivamente estratégias para evitar ou superar essas defesas vegetais pelo processo de evolução recíproca um tipo de coevolução Essas adaptações assim como as respostas de defesa vegetal podem ser constitutivas ou in duzidas As adaptações constitutivas são mais amplamente distribuídas entre os insetos especialistas os quais podem se alimentar somente de algumas espécies vegetais As adaptações induzidas por sua vez são encontradas com mais probabilidade entre insetos generalistas quanto às suas dietas Embora nem sempre sejam óbvias na maioria dos ambientes naturais as interações plantainseto levam a uma situação de equilíbrio onde cada um pode se desen volver e sobreviver sob condições subótimas Defesas vegetais contra patógenos Embora os vegetais não apresentem um sistema imunológi co comparável aos animais eles são surpreendentemente re sistentes a doenças provocadas por fungos bactérias vírus e nematódeos que estão sempre presentes no ambiente Nesta seção são examinados os diversos mecanismos que os ve getais desenvolveram para resistir localmente à infecção in cluindo a imunidade desencadeada por padrões moleculares associados a microrganismos MAMPs microbeassociated molecular patterns a imunidade desencadeada por efetores a produção de agentes antimicrobianos e um tipo de morte celular programada chamado resposta de hipersensibilida de São também discutidos dois tipos de imunidade vegetal sistêmica referidos como resistência sistêmica adquirida SAR systemic acquired resistance e resistência sistêmica induzida ISR induced systemic resistence Os agentes patogênicos microbianos desenvolveram várias estratégias para invadir as plantas hospedeiras Ao longo de suas vidas as plantas são continuamente expostas a uma diversificada série de patógenos Os patógenos bemsucedidos desenvolveram vários me canismos para invadir sua planta hospedeira e causar 0 C 12 24 36 48 Tempo h B A D E Forrageio da lagarta Defesas vegetais 0 1 2 3 4 5 6 Massa mg da lagarta dacouve Fora de fase Em fase Fora de fase Em fase Figura 2324 Exemplo de ritmos circadianos influenciando a de fesa vegetal contra a herbivoria A Trichoplusia ni lagartadacouve forrageando em planta de Arabidopsis B Normalmente os relógios circadianos das lagartas e das plantas são sincronizados e tanto a ativi dade de forrageio curva vermelha quanto as defesas vegetais media das por jasmonato curva verde apresentam o pico durante o dia Isso otimiza as defesas vegetais e reduz a taxa de crescimento da lagarta C Se o ritmo circadiano de Arabidopsis é deslocado em 12 horas a resposta de defesa da planta curva verde está no mínimo quando a atividade da lagarta está no máximo curva vermelha e a lagarta cresce mais rapidamente D As plantas de Arabidopsis fora de fase à direita sofrem mais dano do que as plantas em fase à esquerda E Comparação das massas de lagartadacouve crescendo sobre plantas em fase ou fora de fase BE de Goodspeed et al 2012 716 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento doença Figura 2325 Alguns penetram diretamen te pela cutícula e pela parede celular pela secreção de enzimas líticas as quais digerem essas barreiras me cânicas Outros entram na planta através de aberturas naturais como estômatos hidatódios e lenticelas Um terceiro grupo invade a planta através de locais com lesões por exemplo aquelas causadas por insetos her bívoros Assim como outros tipos de patógenos muitos vírus transferidos por insetos herbívoros que atuam como vetores também invadem a planta pelo local de forrageio do inseto Os insetos sugadores de seiva como as moscasbrancas e os afídeos depositam os patógenos diretamente no sistema vascular a partir do qual eles facilmente se propagam pela planta Uma vez no interior da planta os patógenos em geral empregam uma das três principais estratégias de ataque para utilizar a planta hospedeira como substrato para sua própria proliferação Os patógenos necrotróficos atacam seu hospedeiro pela secreção de enzimas ou toxinas de gradadoras da parede celular o que finalmente mata as células vegetais afetadas levando à extensa maceração dos tecidos amolecimento dos tecidos após a morte por autólise Esse tecido morto é então colonizado pelo pa tógeno e é utilizado como fonte de alimento Outra estra tégia é usada por patógenos biotróficos após a infecção a maior parte do tecido vegetal permanece viva e apenas danos celulares mínimos podem ser observados à medida que os patógenos se alimentam dos substratos fornecidos por seu hospedeiro Os patógenos hemibiotróficos são caracterizados por uma fase inicial biotrófica em que as células hospedeiras são mantidas vivas conforme descrito para os patógenos biotróficos Essa fase é seguida por uma fase necrotrófica na qual o patógeno pode causar dano tecidual amplo Embora essas estratégias de invasão e infecção sejam individualmente bemsucedidas epidemias de doenças vegetais são raras em ecossistemas naturais Isso se deve ao fato de plantas terem desenvolvido estratégias eficazes contra esse conjunto diverso de patógenos Patógenos produzem moléculas efetoras que auxiliam na colonização de suas células hospedeiras vegetais Os fitopatógenos podem produzir uma ampla série de efetores que sustentam sua capacidade de colonizar com sucesso seu hospedeiro e obter benefícios nutricionais Os efetores são moléculas que alteram a estrutura o meta bolismo ou a regulação hormonal da planta conferindo vantagem ao patógeno Eles podem ser divididos em três classes principais enzimas toxinas e reguladores de cresci mento A invasão de um hospedeiro suscetível é com fre quência a etapa mais difícil para um patógeno por isso muitos agentes patogênicos produzem enzimas que po dem degradar a cutícula e a parede celular vegetal Entre as enzimas estão cutinases celulases xilanases pectina ses e poligalacturonases Essas enzimas têm a capacidade de comprometer a integridade da cutícula bem como as paredes celulares primárias e secundárias Muitos patógenos também produzem uma ampla série de toxinas que atuam sobre proteínasalvo específicas da planta Figura 2326 Por exemplo a toxina HC do fun go Cochliobolus carbonum que causa a doença da mancha foliar inibe as histonas desacetilase específicas no milho Em geral a diminuição da desacetilação de histonas que são essenciais na organização da cromatina tende a au mentar a expressão de genes associados ver Figura 213 No entanto não se sabe ainda se essa é a maneira pela qual a toxina HC causa a doença no milho A fusicoccina ver Figura 2326 é uma toxina não es pecífica produzida pelo fungo Fusicoccum amygdali Ela ativa constitutivamente a HATPase da membrana plasmática da planta pela ligação inicial a uma proteína específica de reguladores do grupo 1433 Esse complexo em seguida ligase à região Cterminal da HATPase e a ativa irrever sivelmente levando à superacidificação da parede celular e à hiperpolarização da membrana plasmática Esses efeitos da fusicoccina são de particular importância para as célu lasguarda estômato ver Capítulo 10 A hiperpolariza ção da membrana plasmática induzida por fusicoccina em célulasguarda provoca grande absorção de K e a abertura estomática permanente o que leva à murcha e por fim à morte da planta Ainda não está claro se e como o patógeno se beneficia da murcha excessiva de seu hospedeiro Alguns patógenos produzem moléculas efetoras que in terferem significativamente no equilíbrio hormonal da plan ta hospedeira O fungo Gibberella fujikuroi que faz as partes aéreas do arroz infectado crescerem muito mais rapidamente em relação às plantas não infectadas produz ácido giberéli co GA3 e outras giberelinas As giberelinas são portanto responsáveis pela doença da planta boba do arroz Acre Fungos penetrando as células diretamente Bactérias penetrando a planta por um local de lesão Fungos penetrando a planta pelos estômatos Bactérias penetrando a planta pelos estômatos Figura 2325 Fitopatógenos como bactérias e fungos desen volveram vários métodos para invadir as plantas Alguns fungos apresentam mecanismos que lhes permitem penetrar diretamente a cutícula ou a parede celular do vegetal Outros fungos assim como bactérias patogênicas entram por aberturas naturais como estôma to ou por lesões causadas por herbívoros Capítulo 23 Interações Bióticas 717 ditavase que os esporos fúngicos liberados das plantas in fectadas mais altas eram mais propensos a se propagarem para as plantas vizinhas por causa de sua vantagem de altu ra Posteriormente foi demonstrado que as giberelinas são hormônios vegetais naturais ver Capítulo 15 Os efetores de algumas bactérias patogênicas como Xanthomonas são proteínas que têm como alvo o núcleo da célula vegetal e causam mudanças marcantes na ex pressão gênica Esses efetores do tipo ativadores da trans crição TAL transcription activatorlike ligamse ao DNA da planta hospedeira e ativam a expressão de genes be néficos para o crescimento e a disseminação do patógeno A infecção por patógeno pode originar sinais de perigo moleculares que são percebidos por receptores de reconhecimento de padrões PRRs de superfície celular Para distinguir entre o que é dela e o que não pertence a ela durante a infecção por patógenos a planta possui PRRs que percebem MAMPs padrões moleculares associados a microrganismos que são conservados entre uma classe es pecífica de microrganismos como quitina para fungos fla gelos para bactéria mas inexistem no hospedeiro As RLKs descritas anteriormente em conexão com interações planta microrganismos benéficas e as proteínas tipo receptor RLPs receptorlike proteins são PRRschave para os sinais moleculares derivados de microrganismos e plantas asso ciados à infecção pelo patógeno Figura 2327 Em geral as RLKs contêm um domínio extracelular como um domínio com LRRs ou um LysM um domínio transmembrana e um domínio intracelular de quinase As RLPs contêm um do mínio extracelular e um domínio transmembrana mas não possuem um domínio intracelular de quinase Os PRRs ocorrem em complexos de proteínas que são mantidos em estado de repouso antes da ligação ao ligan te Acreditase que as RLPs que não possuem os domí nios de quinase citoplasmáticos típicos interagem com as RLKs para permitir que os sinais sejam transduzidos para o citoplasma Após a ligação aos seus ligantes molecula res muitos eventos celulares são ativados ver a seguir culminando na ativação da transcrição de um grande nú mero de genes de resposta de defesa Como mencionado anteriormente os sinais molecu lares de alarme também podem surgir a partir da própria planta quer a partir de danos causados por microrganis mos ou como resultado de danos causados pela mastiga ção de insetos Tais sinais derivados de plantas são coleti vamente chamados de DAMPs ver Figura 2327 A sistemina como discutido anteriormente é um exem plo de DAMP derivado de planta encontrado no tomateiro a qual é produzida em resposta à lesão associada à herbivoria Entre os MAMPs mais bem estudados estão o Pep13 um peptídeo de 13 aminoácidos da transglutaminase localizada na parede celular do oomiceto Phytophthora o agente causa dor da requeima da batata na Irlanda o flg22 um peptídeo de 22 aminoácidos derivado da proteína flagelina bacteriana e o elf18 um fragmento de 18 aminoácidos do fator de alon gamento Tu bacteriano Como essas moléculas são comuns em muitas espécies entre os grupos de microrganismos seu reconhecimento permite à planta perceber classes inteiras de organismos potencialmente patogênicos como bactérias grampositivas versus gramnegativas A percepção de MAMPs ou DAMPs por PRRs da su perfície celular inicia uma resposta de defesa basal e loca lizada denominada imunidade desencadeada por MAMP que inibe o crescimento e a atividade de patógenos ou pregas não adaptados Como exemplo o controle sobre a abertura estomática um local comum para a invasão pelo patógeno atua como a primeira linha de defesa contra essa invasão Quando uma folha de Arabidopsis é expos ta a bactérias na superfície foliar ou ao MAMP flg22 a abertura estomática diminui retardando assim a invasão pelo patógeno Como discutido no Capítulo 10 a abertura estomática é facilitada pelos canais de entrada de K das célulasguarda que fazem a absorção de K O MAMP flg22 parece induzir o fechamento parcial do estômato mediante inibição da absorção de K pelas célulasguarda A resposta eliciada por flg22 é dependente da presença de receptor do tipo quinase com LRR FLS2 bem como de uma proteína G heterotrimérica HO O OH CO H3C CH2 COOH OCH3 H H H H HO HO OH OH O O O O O O O Toxina HC Ácido giberélico GA3 Fusicoccina O O O O H H H N H H H3C CH3 O O N N N Figura 2326 Moléculas efetoras produzidas por patógenos au xiliam a invasão das células Alguns patógenos produzem moléculas efetoras específicas que alteram significativamente a fisiologia da planta A toxina HC um peptídeo cíclico atua na enzima histona desacetilase no núcleo e compromete a expressão de genes envol vidos na defesa A fusicoccina ligase às HATPases da membrana plasmática principalmente àquelas nos estômatos e as ativa irrever sivelmente As giberelinas produzidas pelo fungo Gibberella fujiku roi aceleram o crescimento resultando em plantas maiores quando comparadas às não infestadas As giberelinas produzidas pelo fungo são idênticas àquelas produzidas de forma endógena pela planta 718 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Genes R fornecem resistência a patógenos particulares pelo reconhecimento de efetores linhagemespecíficos Os organismos patogênicos microbianos bem adaptados são capazes de subverter a imunidade desencadeada por MAMP mediante introdução de uma grande diversidade de efetores diretamente no citoplasma da célula hospedei ra Por exemplo as bactérias gramnegativas patogênicas com um sistema de secreção do Tipo III desenvolveram uma estrutura em forma de seringa chamada injectis soma que atravessa as membranas interna e externa da bactéria e contém uma projeção extracelular semelhante a uma agulha Os fungos e oomicetos desenvolveram ou tros métodos para transportar efetores diretamente para dentro das células vegetais Uma vez dentro das células esses efetores não podem mais ser detectados por PRRs da membrana e sem um sistema de segurança a planta ficaria desprotegida contra o ataque Membrana plasmática Bactérias Microrganismos prototípicos Fitopatógenos especializados Fungos Oomicetos Parede celular Citoplasma PRRs como detectores de superfície RLKs RLPs RLKs RLPs RLKs RLPs Proteínas R p ex NBSLRRs Enzimas de degradação da parede celular Patógenos obtenção de novos efetores e funções de virulência Hospedeiros obtenção de novos PRRs e proteínas R Perigo Perigo Perigo Resposta de defesa Detecção de efetores ou DAMPs causados por eles por proteínas R Perigo MAMPs DAMPs Efetores extracelulares Efetores intracelulares Imunidade desencadeada por MAMP Imunidade desencadeada por efetores Figura 2327 As plantas desenvolveram respostas de defesa a uma diversidade de sinais de perigo de origem biótica Esses si nais incluem padrões moleculares associados a microrganismos MAMPs padrões moleculares associados a dano DAMPs e efeto res MAMPs extracelulares produzidos por microrganismos e DAMPs liberados por enzimas microbianas se ligam a receptores de reco nhecimento de padrões PRRs na superfície celular À medida que as plantas coevoluíram com os patógenos estes adquiriram efetores como fatores de virulência e as plantas desenvolveram novos PRRs para perceber efetores extracelulares e novas proteínas de resistên cia R para perceber efetores intracelulares Quando MAMPs DAMPs e efetores se ligam aos PRRs e às proteínas R dois tipos de respos tas de defesa são induzidos imunidade desencadeada por MAMP e imunidade desencadeada por efetores RLK receptor do tipo qui nase RLP proteína do tipo receptor NBSLRR sítio de ligação ao nucleotídeorepetições ricas em leucina De Boller e Felix 2009 Capítulo 23 Interações Bióticas 719 Essa inovação microbiana colocou as plantas sob enorme pressão evolutiva Por exemplo a toxina bac teriana coronatina produzida por várias cepas pato gênicas de Pseudomonas syringae reverte os efeitos inibidores do flg22 na absorção de K e na abertura estomática As plantas por sua vez desenvolveram uma segunda linha de defesa com base em uma clas se de genes de resistência R especializados que reconhecem esses efetores intracelulares e desenca deiam respostas de defesa para tornálos inofensivos Como consequência as plantas possuem um segun do tipo de imunidade denominada imunidade de sencadeada por efetores mediada por um grupo de receptores intracelulares altamente específicos Há vários tipos de produtos de genes R com base no arranjo de seus domínios funcionais Destes o grupo mais abundante é o de receptores com domí nios de sítio de ligação ao nucleotídeorepetição rica em leucina NBSLRR nucleotide binding site leucine rich repeat Um subgrupo de receptores NBS LRR transita entre o citoplasma e o núcleo onde os receptores regulam a expressão gênica enquanto os outros estão presos à membrana plasmática onde podem rapidamente encontrar um efetor e desencadear as rotas de transdução de sinal Alguns NBSLRRs se tornam ativados por ligação direta a um efetor do patógeno mas a maioria dos NBS LRRs reconhece e ligase a proteínas de plantas que são os alvos dos efetores de patógenos De acordo com a hipó teseguarda os produtos dos genes R guardam proteí nas celulares chamadas de guardee Figura 2328 A inte ração entre as proteínas guardee e os efetores do patógeno é necessária para o sucesso da infecção pelo patógeno O receptor NBSLRR permanece inativo enquanto estiver ligado à proteína guardee Entretanto quando o efetor in terage com a proteína guardee alterando sua conformação ou modificandoa quimicamente o receptor NBSLRR é ativado desencadeando a cascata de sinalização que leva à resposta de defesa A exposição aos eliciadores induz uma cascata de transdução de sinais Poucos minutos após os eliciadores efetores ou MAMPs terem sido reconhecidos por um produto dos genes R ou por um PRR rotas complexas de sinalização são ativadas e finalmente levam às respostas de defesa ver Figura 2327 Um elemento inicial comum dessas cascatas é uma mu dança transitória na permeabilidade iônica da membrana plasmática A ativação do produto do gene R estimula a entrada dos íons Ca2 e H na célula e a saída de K e Cl No passado os genes de efetores microbianos foram erroneamente denominados genes de avirulência avr com base na observa ção de que eles tornavam o patógeno avirulento devido à sua função não intencional de ativar a imunidade desencadeada por efetor enquanto esses genes codificavam efetores de virulência A entrada de Ca2 na célula ativa a explosão oxidativa que pode atuar diretamente na defesa conforme descrito an teriormente bem como induzir outras reações de defesa Ainda outros componentes das rotas de transdução de sinal estimulados por patógenos incluem óxido nítrico MAPquinases proteínas quinase dependentes de cálcio e os ácidos jasmônico e salicílico Os efetores liberados por insetos sugadores também ativam os receptores NBSLRR Evidências em várias espécies como arroz melão e toma teiro sugerem que os genes de resistência reconhecem os efetores liberados por insetos sugadores e ativam as defe sas apropriadas Por exemplo o gene R Mi1 no tomateiro confere resistência a afídeos e moscasbrancas o gene R Bph14 em arroz confere resistência ao gafanhotocasta nho e o gene R Vat no melão está relacionado à resistência contra o afídeo do algodoeiro Todos esses genes R codifi cam receptores NBSLRR Até o momento várias proteínas da saliva de afí deos foram identificadas e compartilham características funcionais com os efetores dos fitopatógenos incluindo Mp10 e Mp42 no afídeo Myzus persicae A superexpres são dessas duas proteínas juntas no tabaco Nicotiana benthamiana reduziu a fecundidade de afídeos que se alimentam das plantas transgênicas Curiosamente a superexpressão de Mp10 ativou tanto a rota de sinaliza ção por ácido jasmônico quanto a de ácido salicílico no tabaco e conferiu resistência parcial ao oomiceto patogê nico Phytophthora capsici Portanto Mp10 e Mp42 pare cem ser efetores que desencadeiam respostas de defesa tanto contra afídeos quanto contra patógenos embora as proteínas sejam produzidas somente por afídeos Domínio LRR Iniciação do sinal Efetor Receptor NBSLRR inativo Receptor NBSLRR ativado Domínio NBS Domínio Nterminal Guardee Figura 2328 Hipótese de guarda para a sinalização do gene R durante a defesa vegetal contra patógenos Receptores solúveis do sítio de ligação ao nucleotídeorepetição rica em leucina NBSLRR ligamse a proteínas celulares e as usam como guardees O receptor NBSLRR é inativo desde que esteja ligado a seu guardee Quando os efetores introduzidos no citoplasma por patógenos se ligam ao guardee este se dissocia do receptor desencadeando a resposta de defesa 720 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento A resposta de hipersensibilidade é uma defesa comum contra patógenos Um fenótipo fisiológico comum associado à imunidade desencadeada por efetores é a resposta de hipersensibi lidade na qual as células adjacentes ao local de infecção morrem rapidamente privando o patógeno de nutrientes e impedindo sua propagação Se a resposta de hipersensibi lidade tiver sucesso uma pequena região do tecido morto permanece no local do ataque do patógeno mas o restante da planta não é afetado Esse tipo de resposta é muitas vezes precedido pela produção de espécies reativas de oxigênio e óxido nítrico NO As células vizinhas do local de infecção sintetizam uma diversidade de compostos tóxicos formados pela re dução do oxigênio molecular incluindo o ânion superó xido O2 o peróxido de hidrogênio H2O2 e o radical hidroxila OH Acreditase que uma oxidase NADPH dependente localizada na membrana plasmática Figura 2329 produza O2 o qual é convertido em OH e H2O2 O radical hidroxila é o oxidante mais forte dessas es pécies reativas de oxigênio e pode iniciar reações de radi cais em cadeia com várias moléculas orgânicas levando à peroxidação lipídica à inativação de enzimas e à degra dação de ácidos nucleicos As espécies reativas de oxigê nio podem contribuir para a morte celular como parte da resposta de hipersensibilidade ou atuar diretamente na morte do patógeno Um rápido pico na produção de NO acompanha a explosão oxidativa nas folhas infectadas O NO que atua como mensageiro secundário em muitas rotas de sinaliza ção em animais e plantas ver Capítulo 15 é sintetizado a partir do aminoácido arginina pela enzima óxido nítri co sintase NOsintase Um aumento na concentração de cálcio citosólico parece ser necessário para a ativação da NOsintase durante a resposta de hipersensibilidade O aumento tanto de NO quanto de espécies reativas de oxigênio é essencial para a ativação da resposta de hiper sensibilidade o aumento de somente um desses sinais tem pouco efeito na indução da morte celular Muitas espécies reagem à invasão por fungos ou bac térias sintetizando lignina ou calose Acreditase que es ses polímeros sirvam como barreiras separando tais pa tógenos do resto da planta bloqueando fisicamente sua propagação Uma resposta relacionada é a modificação das proteínas da parede celular Algumas proteínas da pa rede ricas em prolina formam ligações cruzadas após o ataque do patógeno em uma reação de oxidação mediada por H2O2 ver Figura 2329 Esse processo fortalece as pa redes celulares das células próximas ao local da infecção aumentando sua resistência à digestão microbiana Outra resposta de defesa à infecção é a formação de en zimas hidrolíticas que atacam a parede celular do patógeno Várias glucanases quitinases e outras hidrolases são induzi das pela invasão fúngica A quitina um polímero de resíduos de Nacetilglicosamina é o principal componente da parede celular dos fungos Essas enzimas hidrolíticas pertencem ao grupo de peptídeos antimicrobianos que com frequência são induzidos durante a infecção por patógenos Receptor Membrana plasmática Óxido nítrico sintase Óxido nítrico NO Arginina Parede celular Exterior da célula Citoplasma Biossíntese de ácido salicílico Resposta de hipersensibilidade Biossíntese de fitoalexinas Biossíntese de lignina Biossíntese de enzimas hidrolíticas Patógeno Eliciador NADPH oxidase O2 Espécies reativas de oxigênio O2 H2O2 Resistência sistêmica adquirida H2O2 Ca2 Ca2 CaMCa2 Calmodulina CaM AtSR1 Ca2 Ca2Ca2 Figura 2329 Muitos tipos de defesas contra patógenos são in duzidos pela infecção Os fragmentos de moléculas dos patógenos denominados eliciadores iniciam uma complexa rota de sinaliza ção que leva à ativação das respostas de defesa Um aumento brus co na atividade oxidativa e na produção de óxido nítrico estimula a resposta de hipersensibilidade e outros mecanismos de defesa Observase que Ca2 é necessário para a ativação de algumas defe sas enquanto também é um regulador negativo da biossíntese do ácido salicílico ver texto para detalhes Capítulo 23 Interações Bióticas 721 Fitoalexinas com atividade antimicrobiana se acumulam após o ataque do patógeno As fitoalexinas constituem um grupo de metabólitos secundários quimicamente diversos com forte atividade antimicrobiana e que se acumulam em torno do local de infecção A produção de fitoalexinas parece ser um me canismo comum de resistência a microrganismos pato gênicos em uma ampla gama de plantas Entretanto di ferentes famílias botânicas empregam distintos produtos secundários como fitoalexinas Por exemplo os isoflavo noides são fitoalexinas comuns em leguminosas como a alfafa e a soja enquanto em solanáceas como batata tabaco e tomateiro vários sesquiterpenos são produzidos como fitoalexinas Figura 2330 Para uma discussão sobre a biossíntese desses compostos ver Apêndice 4 na internet As fitoalexinas em geral são indetectáveis na planta antes da infecção mas são sintetizadas rapidamente após o ataque microbiano O ponto de controle é geralmente a expressão de genes que codificam enzimas de biossínte se de fitoalexinas As plantas não parecem armazenar um pouco da maquinaria enzimática necessária para a síntese desses compostos Em vez disso logo após a invasão mi crobiana ocorre o início da transcrição e da tradução dos mRNAs adequados e a síntese de novo das enzimas Embora em bioensaios as fitoalexinas acumulemse em concentrações tóxicas aos patógenos o significado desses compostos para a defesa da planta intacta não é completamente compreendido Experimentos com plan tas e patógenos modificados geneticamente têm forne cido as primeiras evidências da função das fitoalexinas in vivo Por exemplo as plantas de tabaco transformadas com um gene que codifica a enzima responsável pela biossíntese do resveratrol um fenilpropanoide com ati vidade de fitoalexina tornaramse mais resistentes a fungos do que as plantas não transformadas De forma similar a resistência de Arabidopsis a fungos depende de camalexina uma fitoalexina derivada do triptofano pois mutantes deficientes em camalexina foram mais suscetí veis a fungos patogênicos que o tipo selvagem Em outros experimentos os patógenos transformados com genes codificadores de enzimas de degradação de fitoalexinas foram capazes de infectar plantas normalmente resisten tes a eles Um único contato com o patógeno pode aumentar a resistência aos ataques futuros Além de desencadearem respostas de defesa localmen te agentes patogênicos microbianos também induzem a produção de sinais como ácido salicílico metilsalicilato e outros compostos que levam à expressão sistêmica dos ge nes relacionados à patogênese PR pathogenesisrelated antimicrobianos Os genes PR compreendem uma pe quena família multigênica que codifica para proteínas de baixo peso molecular 643 kD compostas por um grupo diverso de enzimas hidrolíticas enzimas de modificação de parede celular agentes antifúngicos e componentes de rotas de sinalização As proteínas PR estão localiza das nos vacúolos ou no apoplasto e são abundantes nas folhas onde mais presumivelmente conferem proteção contra infecções secundárias Esse fenômeno pelo qual o desafio local do patógeno aumenta a resistência à infec ção secundária é denominado resistência sistêmica ad quirida SAR e em geral se desenvolve após o período de vários dias A SAR parece resultar no aumento dos níveis de certos compostos de defesa já mencionados incluindo quitinases e outras enzimas hidrolíticas Embora o mecanismo de indução da SAR ainda seja desconhecido um dos sinais endógenos é o áci do salicílico O nível desse derivado do ácido benzoico aumenta drasticamente na região de infecção após o ataque inicial e acreditase que estabeleça a SAR em outras partes da planta No entanto experimentos de enxertia em tabaco mostraram que portaenxertos infectados e defi cientes em ácido salicílico poderiam desencadear SAR em enxertos do tipo selvagem Esses resul tados indicam que o ácido salicílico não é nem o desencadeador inicial no local da infecção nem o sinal móvel que induz a SAR em toda a planta Embora o ácido salicílico livre não desencadeie a resposta da SAR há evidências de que o me tilsalicilato possa ser o sinal móvel para a SAR Experimentos em tabaco nos quais a metilação do ácido salicílico foi bloqueada na folha infecta da ou a desmetilação do metilsalicilato foi inibi O HO O OCH3 OH O CH3 H3C O O OH HO HO CH3 CH3 CH2 OH HO CH3 CH3 CH3 CH2 Medicarpina da alfafa Isoflavonoides de leguminosas família da ervilha Gliceolina da soja Risitina da batata e do tomateiro Sesquiterpenos de Solanaceae família da batata Capsidiol da pimenta e do tabaco Anel adicional formado por uma unidade C5 a partir da rota dos terpenos Figura 2330 Estrutura de algumas fitoalexinas en contradas em duas famílias diferentes de plantas 722 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento da na folha sistêmica evitaram de modo eficaz a resposta da SAR Embora seja volátil o metilsalicilato parece ser transportado pelo sistema vascular em tabaco As medidas da taxa de transmissão da SAR desde o sítio de ataque ao restante da planta indica que o movi mento é bastante rápido 3 cmh para ocorrer por difusão simples e apoia a hipótese de que o sinal móvel deve ser transportado pelo sistema vascular A maioria das evidên cias aponta para o floema como principal rota de trans locação do sinal da SAR Em Arabidopsis as mutações no gene DIR1 Defectivo na Resistência Induzida 1 Defective in induced Resistance 1 bloqueiam a resposta de SAR O gene DIR1 é expresso especificamente no floema e codi fica a síntese de uma proteína de transferência de lipídeo sugerindo que o sinal de longa distância pode envolver esse tipo de molécula Nos últimos anos vários outros compostos de sina lização que estão potencialmente envolvidos na media ção do sinal da SAR foram identificados em plantas Por exemplo o ácido azelaico um ácido dicarboxílico de nove carbonos cuja rota biossintética é pouco compreendida mostrou ter uma função essencial na translocação do sinal da SAR Foi demonstrado que o diterpeno desidroabieti nal se transloca rapidamente a partir do sítio da infecção por toda a planta e ativa a SAR Da mesma forma o glice rol3fosfato que é sintetizado no plastídio também tem sido implicado na sinalização da SAR de longa distância Embora não esteja claro se e como esses diversos sinais interagem parece que todos são necessários para induzir a intensidade efetiva da SAR após infecções de patogénos NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR3 Proteassomo Citosol Núcleo Redução Não infectado Sem AS Sítio da infecção primária AS alto Sítio distal AS moderado Transcrição Oxidação NPR1 NPR4 Cul3 Ubiquitina NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR4 NPR4 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR1 NPR3 NPR3 Cul3 AS AS AS AS AS AS AS TF Genes PR Infecção primária Morte celular programada resposta de hipersensibilidade Sítio distal Expressão de proteínas PR resistência à infecção secundária PR1 PR5 PR2 Figura 2331 Sinalização de SAR durante a resposta a agentes patogênicos A infecção bacteriana pode induzir a imunidade de sencadeada por efetor ETI effectortriggered immunity e local mente a resposta de hipersensibilidade bem como o aumento nos níveis de ácido salicílico AS O acúmulo de AS leva à oscilação do estado redox da célula o que libera monômeros de NPR1 a partir dos oligômeros do citosol Os monômeros NPR1 são então rapi damente translocados para o núcleo Uma concentração alta de AS no núcleo promove a associação de NPR1 com NPR3 o que leva à degradação da NPR1 pela rota ubiquitinaproteassomo A ausência de NPR1 permite a ocorrência de ETI e MCP A concentração de AS nas células vizinhas é mais baixa A degradação da NPR1 pela ligação com NPR3 não ocorre e NPR1 acumulase NPR1 interage com os fatores de transcrição TFs transcription factors e ativa a expressão de genes envolvidos na defesa contra infecções secun dárias Ub ubiquitina Cul3 Cullin 3 uma proteína que atua como suporte para as E3 ligases Capítulo 23 Interações Bióticas 723 Os principais componentes da rota de sinalização do ácido salicílico na SAR foram identificados Visando identificar os componentes da rota de sinaliza ção do ácido salicílico durante a SAR triagens genéticas foram realizadas para procurar mutantes insensíveis ao ácido salicílico incapazes de sintetizar proteínas PR em resposta a esse hormônio Múltiplas triagens identifica ram um único locus gênico o NPR1 nonexpressor of PR genes 1 Posteriormente dois parálogos genes relacio nados derivados de duplicação gênica do NPR1 foram descobertos NPR3 e NPR4 Embora a proteína NPR1 não se ligue ao ácido salicílico NPR3 e NPR4 o fazem sugerindo que elas podem atuar como receptores desse ácido Estruturalmente as três proteínas assemelhamse às proteínas adaptadoras para a rota da ubiquitina E3 li gase Cullin 3 sugerindo que à semelhança da auxina da giberelina e dos receptores de AJ elas estão envolvi das na degradação da proteínaalvo por meio da via da ubiquitinaproteassomo A Figura 2331 ilustra um modelo para a regulação do ácido salicílico tanto na resposta de hipersensibili dade quanto na imunidade desencadeada por efetor no sítio da infecção primária e SAR em tecidos distais De acordo com o modelo a função de NPR1 é ativar genes de resposta ao ácido salicílico envolvidos na defesa tal vez ao promover a degradação de proteínas repressoras NPR1 existe em uma forma oligomérica e uma forma monomérica As condições oxidantes promovem a for mação de oligômeros no citoplasma enquanto as con dições redutoras favorecem a formação de monômeros que rapidamente entram no núcleo Antes da infecção há pouco ou nenhum ácido salicílico na célula Sob es sas condições NPR1 associase a NPR4 e é rapidamente degradada pela rota do proteassomo 26S Isso impede que as respostas de defesa sejam ativadas desnecessa riamente Após a infecção a concentração intracelular de ácido salicílico aumenta pronunciadamente O ácido salicílico ligase à NPR3 o que facilita a reciclagem de NPR1 via ubiquitinação A rápida destruição de NPR1 impede que as células no local da infecção ativem genes de defesa resultando na morte celular resposta de hi persensibilidade Por outro lado a concentração de ácido salicílico é muito mais baixa em tecidos distais demasiado baixa para se ligar à NPR3 mas suficientemente elevada para se ligar à NPR4 e impedila de interagir com NPR1 Sob essas condições a NPR1 acumulase e ativa a reprogra mação transcricional expressiva envolvida na resposta de SAR Proteínas associadas ao sistema de endomembra nas também são reguladas para cima permitindo que as proteínas PR recémsintetizadas sejam secretadas para o apoplasto Ao mesmo tempo as alterações epigenéticas na estrutura da cromatina contribuem para a síndrome geral de SAR As interações de plantas com bactérias não patogênicas podem desencadear resistência sistêmica por um processo denominado resistência sistêmica induzida ISR Ao contrário da SAR que ocorre como consequência da in fecção por um patógeno a resistência sistêmica induzida ISR é ativada por microrganismos não patogênicos Figura 2332 A ISR mediada por rizobactéria é uma resposta de resistência de amplo espectro ativada por cepas seleciona das de bactérias saprofíticas da rizosfera As rizobactérias benéficas desencadeiam ISR preparando a planta para uma potencial ativação de várias respostas de defesas celulares que são subsequentemente induzidas mediante o ataque do patógeno As respostas potencializadas são a explosão oxi dativa o reforço da parede celular o acúmulo de enzimas re lacionadas à defesa e o acúmulo de metabólitos secundários A primeira evidência de que a potencialização das res postas de defesa vegetais está envolvida na ISR veio de ex Preparação aumentada Planta infectada Bactérias AJ AJ AJ AJ E E E E A geração de um sinal móvel no floema resulta em altos níveis de ácido jasmônico e etileno Ácido jasmônico AJ Etileno E Interação com microrganismos não patogênicos O COOH H H H H Figura 2332 A exposição a microrganismos não patogênicos pode aumentar a resistência ao ataque futuro de patógenos me diante desenvolvimento de resistência sistêmica induzida ISR Os microrganismos não patogênicos como as rizobactérias ativam as rotas de sinalização envolvendo ácido jasmônico e etileno que de sencadeiam a ISR por toda a planta Mais do que ativar medidas de defesa intermediária a ISR é caracterizada pelo nível aumentado de preparação contra o ataque do patógeno 724 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento perimentos com cravo Dianthus caryophyllus Indivíduos de cravo desenvolveram um aumento da capacidade de defesa contra o fungo de raiz Fusarium oxysporum após a colonização das raízes com a bactéria não patogênica Pseu domonas fluorescens Antes da inoculação do desafio não foi detectado aumento dos níveis de fitoalexina nas plantas induzidas e não induzidas No entanto após a inoculação subsequente com F oxysporum os níveis de fitoalexinas nas plantas com expressão ISR ou seja aquelas que tiveram exposição prévia a P fluorescens aumentaram significati vamente mais rápido do que nas plantas não induzidas Evidência da potenciação induzida pela rizobactéria no reforço da parede celular do hospedeiro foi igualmen te descrita No feijoeiro Phaseolus vulgaris uma cepa não patogênica de Bacillus pumilus induziu ISR contra F oxys porum Por si só a colonização das raízes pela rizobactéria não induziu alterações morfológicas nos seus tecidos No entanto após o desafio com F oxysporum nos locais de tentativa de penetração do fungo as paredes celulares da raiz de plantas expressando ISR foram rapidamente refor çadas por grandes quantidades de calose e compostos fe nólicos impedindo assim a entrada do fungo Os rizóbios fixadores de nitrogênio também podem influenciar as interações plantaherbívoro por seus efeitos sobre os voláteis de plantas Estudos utilizando feijãofava P lunatus mostraram que a presença de nódulos na raiz induzidos por Rhizobium alterou a composição das subs tâncias voláteis produzidas pela planta em resposta à jo aninhamexicanadofeijão Epilachna varivestis Plantas colonizadas por rizóbios fixadores de nitrogênio liberaram maiores quantidades de compostos indólicos em resposta ao ácido jasmônico do que fizeram na ausência do rizóbio Essa mudança de voláteis afetou o comportamento de be souros que preferiam as plantas não colonizadas em rela ção às colonizadas Defesas vegetais contra outros organismos Enquanto os insetos herbívoros e os microrganismos pato gênicos representam a maior ameaça para plantas outros organismos incluindo nematódeos e plantas parasitas também podem causar danos significativos Todavia re lativamente pouco se sabe sobre os fatores que regulam as interações de nematódeos e plantas parasitas com seus respectivos hospedeiros Há no entanto evidência emer gente de que os metabólitos secundários desempenham um papel importante nesse processo Alguns nematódeos parasitas de plantas formam associações específicas através da formação de estruturas de forrageio distintas Nematódeos vermes cilíndricos e alongados são habitantes de água e solo que muitas vezes superam numericamente todos os outros animais em seus respectivos ambientes Muitos nematódeos existem como parasitas dependen tes de outros organismos vivos incluindo plantas para completar seu ciclo de vida Eles podem causar perdas se veras de culturas agrícolas e de plantas ornamentais Os nematódeos fitoparasitas podem infectar todas as partes do vegetal das raízes às folhas e podem inclusive viver na casca de árvores Esses organismos alimentamse por um estilete oco que facilmente penetra as paredes das cé lulas vegetais No solo os nematódeos podem se mover de planta a planta causando danos imensos Sem dúvida os mais bem estudados entre os nematódeos fitoparasitas são os nematódeos encistados e os que causam a for mação de nodosidade nas raízes infectadas os chamados nematódeos de nodosidade Ambos são endoparasitas que dependem de plantas vivas como hospedeiros para completar seus ciclos de vida sendo por isso caracteri zados como biotróficos Os ciclos de vida dos nematódeos parasitas iniciam quando os ovos dormentes reconhecem compostos específicos secretados pela raiz Figura 2333 Uma vez eclodidos os nematódeos jovens nadam até a raiz penetram essa estrutura e então migram para o sis tema vascular onde começam a consumir suas células No local de forrageio permanente em geral no córtex da raiz a larva de nematódeo de cisto perfura uma célula com seu estilete e injeta saliva Como resultado as paredes celulares se decompõem e as células vizinhas são incorpo radas em um sincício ver Figura 2333A que consiste em um grande local de forrageio metabolicamente ativo que se torna multinucleado à medida que as células vegetais adjacentes são incorporadas a ele por dissolução da parede e fusão celular O sincício continua a se expandir centri petamente em direção ao sistema vascular incorporando células do periciclo e do parênquima xilemático As pare des externas do sincício adjacentes aos elementos condu tores formam protuberâncias semelhantes às de células de transferência ver Capítulo 11 indicando que o sincício agora funciona como um dreno de nutrientes O nematódeo de cisto depois de estabelecerse nessa estrutura de forrageio cresce e passa por três estágios de muda para se tornar um vermiforme adulto Na maturida de a fêmea produz ovos internamente intumesce e projeta se da superfície da raiz Os nematódeos machos maduros são liberados da raiz no solo e atraídos por feromônios até as fêmeas na superfície da raiz Após a fecundação a fêmea morre formando um cisto que contém os ovos fecundados As raízes infectadas por nematódeos de nodosidade formam grandes células resultando no estabelecimento da nodosidade ou nódulo que também permanece em es treito contato com o sistema vascular e fornece nutrientes ao animal ver Figura 2333B Como mencionado anteriormente os nematódeos fito parasitas segregam um grande número de moléculas efe toras que afetam a morfologia e a fisiologia da planta Entre essas moléculas efetoras estão algumas que são especifi camente reconhecidas pelas plantas e ativam respostas de defesa pelo reconhecimento de produtos de genes R como descrito para as interações plantapatógeno Por exemplo Capítulo 23 Interações Bióticas 725 o gene R H1 da batata ligase especificamente a derivados de eliciadores de nematódeos das cepas que possuem um gene efetor correspondente e assim ativa a resposta de defesa Vários desses ge nes R vegetais foram identificados e curiosamen te todos também têm participação na resistência das plantas aos patógenos microbianos Plantas competem com outras plantas secretando metabólitos secundários alelopáticos no solo As plantas liberam compostos exsudatos da raiz em seu ambiente que alteram a química do solo aumentando assim a absorção de nutrientes ou protegendo contra a toxicidade de metais As plantas também secretam sinais químicos que são essenciais para mediar as interações entre as raí zes e as bactérias não patogênicas do solo incluin do bactérias simbiontes fixadoras de nitrogênio No entanto os microrganismos não são os únicos organismos influenciados por metabólitos secun dários liberados pelas raízes das plantas Alguns desses produtos químicos também participam na comunicação direta entre as plantas As plantas li beram metabólitos secundários no solo para inibir as raízes de outras plantas um fenômeno conhe cido como alelopatia O interesse em alelopatia tem aumentado nos últimos anos por causa do problema das espécies invasoras que se impõem às espécies nativas ocupando os hábitats naturais Um exemplo de vastador é a centáureamanchada Centaurea ma culosa uma erva invasora exótica introduzida na América do Norte que libera metabólitos secun dários fitotóxicos no solo Essa espécie membro da família Asteraceae é nativa da Europa onde não é dominante ou problemática No entanto no noroeste dos Estados Unidos ela tornouse uma das piores ervas invasoras infestando mais de Raiz Raiz A Nematódeos encistados Cilindro vascular Sincício Fêmea adulta Fêmea adulta Cisto Ovo Ovos Infectantes jovens Infectantes jovens Nodosidades da raiz Nodosidade da raiz Massa de ovos B Nematódeos de nodosidade Massa de ovos Figura 2333 Os nematódeos podem causar danos significativos às plantas A maioria dos nematódeos pato gênicos ataca as raízes vegetais De vida livre os nemató deos jovens são atraídos pelas secreções das raízes Após a penetração o nematódeo começa a se alimentar em célu las dos tecidos vasculares A Nematódeos encistados cau sam a formação de uma estrutura de forrageio sincício no sistema vascular mas não causam outras modificações morfológicas Após a fecundação a fêmea do nematódeo de cisto morre formando assim um cisto contendo os ovos fecundados dos quais a nova geração de infectantes eclode B A infecção por nematódeos causa a formação de células gigantes que resultam na típica nodosidade da raiz Após a maturação a fêmea do nematódeo libera uma massa de ovos da qual os infectantes jovens eclodem e causam infestações em outras plantas 726 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento 18 milhão de ha somente em Montana Os indivíduos de C maculosa frequentemente colonizam áreas alteradas na América do Norte mas também invadem pastagens natu rais e pradarias onde desalojam espécies nativas e estabe lecem monoculturas densas ver Ensaio 237 na internet Os metabólitos secundários fitotóxicos liberados no solo por C maculosa foram identificados como uma mistura racêmica de catequina a partir daqui denominada cate quina Figura 2334 O mecanismo pelo qual a catequina atua como uma fitotoxina foi elucidado Em espécies sen síveis como Arabidopsis a catequina desencadeia uma onda de espécies reativas de oxigênio EROs iniciada no meris tema da raiz que leva a uma cascata de sinalização por Ca2 desencadeando alterações na expressão gênica em nível de genoma Em Arabidopsis a catequina duplicou a expressão de cerca de 1000 genes em 1 hora de tratamento Em 12 ho ras muitos desses mesmos genes foram reprimidos o que pode refletirse no começo da morte celular Os experimen tos de laboratório que investigam os efeitos da catequina na germinação e no crescimento de plantas mostraram que as espécies nativas de pastagem norteamericanas variam consideravelmente em sua sensibilidade a esse metabólito As espécies resistentes podem produzir exsudatos de raízes que desintoxicam esse aleloquímico Algumas plantas são patógenos biotróficos de outras plantas Enquanto a maioria das plantas é autotrófica algumas evoluíram para parasitas dependendo de outras plantas para fornecimento de nutrientes essenciais ao seu próprio crescimento e desenvolvimento As plantas parasitas po dem ser divididas em dois grupos principais dependendo do grau de parasitismo As plantas hemiparasitas retêm a capacidade de executar algum nível de fotossíntese en quanto as holoparasitas são completamente dependentes de seus hospedeiros e perderam a capacidade de realizar fotossíntese Por exemplo o visco gênero Viscum que possui folhas verdes e é capaz de realizar a fotossíntese é um hemiparasita Figura 2335A e B Ao contrário a cus cuta gênero Cuscuta que perdeu a capacidade de fotos síntese e depende inteiramente do hospedeiro para açúca res é um holoparasita Figura 2335C e D A B C D HO OH OH OH OH O Catequina HO OH OH OH OH O Catequina Figura 2334 Compostos alelopáticos fitotóxicos produzidos por Centaurea maculosa Figura 2335 Plantas parasitas A Visco Viscum sp em prosópis gênero Prosopis B Claramente visível é o caule verde do visco que cresce através da casca da planta hospedeira C Cuscuta Cuscuta sp crescendo em um fragmento de verbenadeareia Abronia umbellata em dunas na costa do Pacífico na Ca lifórnia D Detalhe mostrando a alta densidade de infestação de cuscuta em sua planta hospedeira Fotografia J Engelberth Capítulo 23 Interações Bióticas 727 As plantas parasitas desenvolveram uma estrutura especializada o haustório que é uma raiz modificada Fi gura 2336 Depois de estabelecer contato com sua planta hospedeira o haustório penetra na epiderme ou casca e depois no parênquima para crescer em direção ao sistema vascular e absorver os nutrientes do hospedeiro Para che gar à planta hospedeira as sementes de plantas parasitas são diretamente depositadas por aves ou são dispersadas mais aleatoriamente pelo vento ou por outros meios Após a germinação as plântulas devem contar durante um pe ríodo com suas sementes como fonte de alimento até que possam encontrar um hospedeiro adequado Uma pesqui sa recente mostrou que quantidades baixas de voláteis de plantas espécieespecíficos podem servir como pistas para que plântulas de cuscuta orientam seu crescimento em direção ao hospedeiro Por outro lado no caso de parasi tas de raiz como Striga os compostos secretados pela raiz hospedeira orientam o crescimento das raízes das plântu las em direção ao hospedeiro Em contato com a raiz hos pedeira a raiz da plântula de Striga desenvolvese em um haustório A seguir este penetra na raiz do hospedeiro e cresce diretamente no xilema pelas pontoações dos vasos onde absorve os nutrientes necessários mediante estrutu ras protoplasmáticas tubulares sem parede celular Os mecanismos dessas interações entre plantas pa rasitas e seus hospedeiros têm sido estudados princi palmente em nível morfológico pouco se sabe sobre os mecanismos de sinalização envolvidos É claro que os metabólitos secretados ou emitidos como voláteis pela planta hospedeira fornecem indicações importantes para o parasita Contudo outros fatores como a luz também podem desempenhar um papel importante nesse proces so Da mesma forma pouco se sabe sobre os mecanismos de defesa da planta hospedeira É provável que as rotas de sinalização de defesa comuns incluindo o ácido jasmôni co o ácido salicílico e o etileno possam desempenhar um papel importante na defesa contra plantas parasitas mas é necessário mais investigação Sistema vascular da planta hospedeira Planta parasita Haustório Figura 2336 Micrografia de um haustório de cuscuta pene trando os tecidos da planta hospedeira RESUMO As plantas desenvolveram muitas estratégias para enfrentar as ameaças de pragas e patógenos As estratégias incluem mecanis mos de detecção sofisticados e a produção de metabólitos secun dários tóxicos e repelentes Enquanto algumas dessas respostas são constitutivas outras são induzidas No geral essas estratégias levaram a um impasse na corrida coevolutiva entre as plantas e suas pragas Interações benéficas entre plantas e microrganismos Bactérias simbióticas fixadoras de nitrogênio liberam fatores Nod os quais iniciam uma série de reações que levam à infec ção e à formação de nódulos Figuras 232 233 Fatores Myc são liberados por bactérias micorrízicas levando à formação de micorrizas Rizobactérias podem liberar metabólitos que auxiliam o cresci mento vegetal aumentando a disponibilidade de nutrientes e a proteção contra patógenos Figura 234 Interações nocivas entre plantas patógenos e herbívoros As barreiras mecânicas que fornecem uma primeira linha de de fesa contra insetos predadores e patógenos incluem espinhos acúleos tricomas e ráfides Figuras 235238 Os metabólitos secundários vegetais com funções de defesa são armazenados em estruturas especializadas que liberam seus conteúdos somente após serem danificadas Figuras 2310 2312 Alguns metabólitos secundários são armazenados no vacúolo como conjugados de açúcar hidrossolúveis e espacialmente se parados de suas enzimas ativadoras Figuras 23142316 Respostas de defesa induzidas contra insetos herbívoros Em vez de produzirem continuamente metabólitos secundários defensivos as plantas podem poupar energia produzindo com postos de defesa somente quando induzidas por danos mecâni cos ou componentes específicos da saliva do inseto eliciadores Figura 2317 728 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento O ácido jasmônico AJ aumenta rapidamente em resposta a danos causados por insetos e induz a transcrição de genes en volvidos na defesa vegetal Figuras 2318 2319 Os danos provocados por herbívoros podem induzir defesas sistêmicas ao causarem a síntese de sinais polipeptídicos Por exemplo a sistemina é liberada no apoplasto e se liga a re ceptores em tecidos intactos ativando a síntese de AJ Figu ra 2320 Na adição aos sinais polipeptídicos as plantas também podem disparar sinais elétricos para iniciar as respostas de defesa em tecidos que ainda não foram danificados Figura 2321 As plantas podem liberar compostos voláteis para atrair inimi gos naturais dos herbívoros ou para sinalizar às plantas vizinhas que iniciam mecanismos de defesa Figura 2322 Defesas vegetais contra patógenos Os patógenos podem invadir as plantas pelas paredes celulares mediante secreção de enzimas líticas pelas aberturas naturais como estômatos e lenticelas e pelas lesões Os insetos herbívo ros também podem ser vetores de patógenos Figura 2325 Os patógenos geralmente usam uma de três principais estraté gias de ataque necrotrofismo biotrofismo ou hemibiotrofismo Os patógenos muitas vezes produzem moléculas efetoras en zimas toxinas ou reguladores de crescimento que auxiliam na infecção inicial Figura 2326 Todas as plantas têm receptores de reconhecimento de pa drões PRRs que iniciam respostas de defesa quando ativados por padrões moleculares associados a microrganismos evo lutivamente conservados MAMPs p ex flagelos e quitina Figura 2327 Os genes de resistência de plantas R codificam receptores citosólicos que reconhecem produtos de genes efetores deri vados de patógenos no citosol A ligação de um produto do gene efetor a seu receptor inicia as rotas de sinalização contra patógenos Figura 2328 Outra defesa antipatógenos é a resposta de hipersensibilidade na qual as células que cercam o sítio infectado morrem rapida mente limitando desse modo a propagação da infecção A resposta de hipersensibilidade muitas vezes é precedida pela rápida produção de EROs e NO que podem matar diretamente o patógeno ou auxiliar na morte celular Figura 2329 Em resposta à infecção muitas plantas produzem fitoalexinas metabólitos secundários com forte atividade antimicrobiana Figura 2330 Uma planta que sobrevive à infecção local do patógeno fre quentemente desenvolve aumento da resistência ao ataque subsequente um fenômeno chamado de resistência sistêmica adquirida SAR Figura 2331 Interações com bactérias não patogênicas podem desencadear a resistência sistêmica induzida ISR Figura 2332 Defesas vegetais contra outros organismos Nematódeos vermes são parasitas que podem se mover en tre hospedeiros e que induzem a formação de estruturas de fottageiro e nodosidades de tecidos de plantas vasculares Em resposta as plantas usam rotas de sinalização de defesa semelhantes às utilizadas para a infecção por patógenos Fi gura 2333 Algumas plantas produzem metabólitos secundários alelo páticos que lhes permitem competir com espécies vegetais próximas Algumas plantas são parasitas de outras plantas Plantas parasi tas podem ser divididas em dois grupos principais hemiparasi tas e holoparasitas dependendo de sua capacidade de realizar fotossíntese Figura 2335 As plantas parasitas usam uma estrutura especializada o haus tório para penetrar seu hospedeiro crescer em direção ao sis tema vascular e absorver nutrientes Figura 2336 Algumas plantas parasitas detectam seu hospedeiro pelo perfil volátil específico que é constitutivamente liberado MATERIAL DA INTERNET Tópico 231 Cutina ceras e suberina As superfícies vegetais são cobertas com camadas de material lipídico que as prote gem contra dessecação e bloqueiam a entrada de microrganis mos patogênicos Ensaio 231 Desvendando a função dos metabólitos se cundários Plantas de fumo selvagem utilizam alcaloides e ter penos para se defenderem contra os herbívoros Ensaio 232 Eventos iniciais de sinalização nas respostas das plantas ao dano Uma rede complexa de sinalização que inclui espécies reativas de oxigênio e fluxo rápido de íons é rapidamente ativada em plantas danificadas Ensaio 233 As rotas de sinalização de jasmonatos e ou tros derivados de ácidos graxos nas respostas de defesa dos vegetais A importância das rotas de sinalização de deri vados de ácidos graxos como reguladores de diversas estraté gias de defesas vegetais tem sido cada vez mais reconhecida A complexidade de rotas individuais e suas mútuas interações são discutidas no contexto das estratégias de defesa direta e indireta Ensaio 234 Receptor de sistemina O receptor de sistemina do tomateiro é um receptor quinase com LRR Ensaio 235 O volatiloma vegetal A liberação de compos tos orgânicos voláteis pelas plantas fornece um exemplo da diversidade de metabólitos secundários e suas implicações eco lógicas Ensaio 236 Pressentindo o perigo e preparandose os sinais voláteis como agentes antecipadores da resposta Capítulo 23 Interações Bióticas 729 de defesa Pela liberação de voláteis as plantas danificadas por herbívoros não somente atraem os inimigos naturais do inseto herbívoro atacante como também sinalizam essa ocor rência às plantas vizinhas para preparar suas defesas contra a herbivoria iminente Ensaio 237 Metabólitos secundários e alelopatia em invasões de plantas um estudo de caso de Centaurea maculosa A espécie invasora Centaurea maculosa que rapi damente ocupa as pastagens do oeste dos Estados Unidos se creta o polifenol catequina na rizosfera Esse composto inibe o crescimento e a germinação das plantas próximas Leituras sugeridas Belkhadir Y Yang L Hetzel J Dangl J L and Chory J In press 2014 The growthdefense pivot Crisis management in plants mediated by LRRRK surface receptors Trends Biochem Sci DOI 101016jtibs201406006 Elzinga D A and Jander G 2013 The role of protein effectors in plantaphid interactions Curr Opin Plant Biol 16 451 456 DOI 101016jpbi201306018 Gleadow R M and Møller B L 2014 Cyanogenic glycosides Synthesis physiology and phenotypic plasticity Annu Rev Plant Biol 65 155185 DOI 101146annurev arplant050213040027 Holeski L M Jander G and Agrawal A A 2012 Transgenerational defense induction and epigenetic inheritance in plants Trends Ecol Evol 27 618626 DOI 101016jtree201207011 Jung S C MartinezMedina A LopezRaez J A and Pozo M J 2012 Mycorrhizainduced resistance and priming of plant defenses J Chem Ecol 38 651664 DOI 101007 s1088601201346 Kachroo A and Robin G P 2013 Systemic signaling during plant defense Curr Opin Plant Biol 16 527533 DOI 101016jpbi201306019 Kandoth P K and Mitchum M G 2013 War of the worms How plants fight underground attacks Curr Opin Plant Biol 16 457463 DOI 101016jpbi201307001 Kazan K and Lyons R 2014 Intervention of phytohormone pathways by pathogen effectors Plant Cell 26 22852309 Romeis T and Herde M 2014 From local to global CDPKs in systemic defense signaling upon microbial and herbivore attack Curr Opin Plant Biol 20 110 DOI 101016j pbi201403002 Selosse M A Bessis A and Pozo M J In press 2014 Microbial priming of plant and animal immunity Symbionts as developmental signals Trends Microbiol DOI 101016jtim201407003 Yan S and Dong X 2014 Perception of the plant immune signal salicylic acid Curr Opin Plant Biol 20 6468 DOI 101016jpbi201404006 Esta página foi deixada em branco intencionalmente A s plantas crescem e se reproduzem em ambientes adversos que contêm uma multiplicidade de fatores abióticos não vivos quími cos e físicos que variam conforme o tempo e a localização geográfica Os parâmetros ambientais abióticos primários que afetam o crescimento vegetal são luz intensidade qualidade e duração água disponibilidade no solo e umidade dióxido de carbono oxigênio conteúdo e disponibilidade de nu trientes no solo temperatura e toxinas ie metais pesados e salinidade As flutuações desses fatores ambientais fora de seus limites normais em geral têm consequências bioquímicas e fisiológicas negativas para as plantas Por serem sésseis as plantas são incapazes de evitar o estresse abiótico simples mente pelo deslocamento para um ambiente mais favorável Como alterna tiva elas desenvolveram a capacidade de compensar as condições estressan tes mediante alteração dos processos fisiológicos e de desenvolvimento para manter o crescimento e a reprodução Neste capítulo é apresentada uma visão integrada de como as plantas se adaptam e respondem aos estresses abióticos no ambiente Como todos os organismos vivos as plantas são sistemas biológicos complexos abrangen do milhares de genes proteínas moléculas reguladoras agentes de sinaliza ção e compostos químicos diferentes que estabelecem centenas de rotas e redes interligadas Sob condições normais de crescimento as diferentes rotas bioquímicas e redes de sinalização devem atuar de uma maneira coordena da para equilibrar os aportes inputs ambientais com o imperativo genético da planta de crescer e se reproduzir Quando ela é exposta a condições am bientais desfavoráveis esse sistema interativo complexo ajustase homeos taticamente para minimizar os impactos negativos do estresse e manter o equilíbrio metabólico Figura 241 No início é estabelecida a distinção entre adaptação e aclimatação em relação ao estresse abiótico A seguir são descritos os diversos fatores abióticos no ambiente que podem afetar negativamente o crescimento e o desenvolvimento vegetal No restante do capítulo são estudados os meca nismos sensores de estresse na planta e os processos que transformam sinais sensoriais em respostas fisiológicas Por último são descritas as mudanças metabólicas fisiológicas e anatômicas específicas que resultam dessas rotas de sinalização e capacitam as plantas a se adaptarem ou se aclimatarem ao estresse abiótico Estresse Abiótico 732 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Definição de estresse vegetal As condições ideais de crescimento para determinada planta podem ser definidas como as que permitem que ela alcance o crescimento máximo e o potencial reprodu tivo medidos pela massa pela altura e pelo número de sementes que em conjunto constituem a biomassa to tal da planta Estresse pode ser definido como qualquer condição ambiental que impeça a planta de alcançar seu potencial genético pleno Por exemplo um decréscimo na intensidade luminosa causaria uma redução na atividade fotossintética com uma diminuição concomitante no su primento de energia para a planta Sob essas condições a planta poderia compensar de duas maneiras diminuindo a velocidade da biossíntese reduzindo assim sua taxa de crescimento ou recorrendo às suas reservas alimentares armazenadas na forma de amido ver Figura 241 Do mesmo modo um decréscimo na disponibilidade de água também teria um efeito deletério no crescimento Uma maneira de compensar o decréscimo no potencial hí drico é pelo fechamento dos estômatos que reduz a perda de água por transpiração No entanto o fechamento es tomático também diminui a absorção de CO2 pela folha reduzindo assim a fotossíntese e reprimindo o cresci mento A Figura 242 apresenta um exemplo dos efeitos de dois tratamentos diferentes de seca moderada e severa no crescimento de indivíduos de arroz O arroz é capaz de tolerar seca moderada sem qualquer efeito mensurável no crescimento mas a seca severa inibe fortemente o cresci mento vegetativo O ajuste fisiológico ao estresse abiótico envolve conflitos tradeoffs entre os desenvolvimentos vegetativo e reprodutivo Como as mudanças nas condições ambientais afetam a produção de sementes Sob condições ideais de cres cimento a competição por recursos entre os diferentes órgãos vegetais ou fases de desenvolvimento é mínima A transição para o crescimento reprodutivo ocorre somen te após a fase adulta vegetativa completar seu programa de desenvolvimento determinado geneticamente ver Ca pítulo 20 Sob condições de estresse no entanto é possí vel que o programa de crescimento vegetativo termine de maneira prematura e a planta pode imediatamente come çar a fase reprodutiva Nesse caso a planta passa por uma transição ao florescimento à fecundação e à produção de sementes antes de alcançar seu tamanho pleno resultan do em um indivíduo menor ver Figura 242 Com menos folhas para fornecer os fotossintatos as plantas que cres cem em condições subótimas podem também produzir sementes menores e em menor quantidade A rota de desenvolvimento específica utilizada para maximizar o potencial reprodutivo sob estresse abiótico depende em grande parte do ciclo de vida da planta Por exemplo as plantas anuais completam seu ciclo de vida em Produção de energia Armaze namento Biossíntese e crescimento Reprodução Condições ambientais Transporte água íons e nutrientes Monitoração ambiental e resposta Programa de desenvolvimento Figura 241 Interações entre condições ambientais e os seguintes processos vegetais desenvolvimento crescimento produção de energia equilíbrio de íons e nutrientes e arma zenagem O equilíbrio entre esses processos é controlado pelo genoma vegetal caixa verde claro embaixo o qual codifica sensores e ro tas de transdução de sinal que fazem o monito ramento e o ajuste dos parâmetros ambientais Com base nos diferentes sinais de estresses ambientais o genoma vegetal pode portanto direcionar o fluxo de energia entre os diferen tes processos setas marrons para estabelecer um novo estado homeostático correspondente às condições específicas de estresse Capítulo 24 Estresse Abiótico 733 um único período do ano Portanto para elas é vantajo so ajustar seus programas de metabolismo e desenvolvi mento a fim de produzir o número máximo de sementes viáveis sob quaisquer que sejam as condições ambientais encontradas no período Por outro lado as plantas perenes que têm múltiplos períodos para produzir sementes ten dem a ajustar seus programas de metabolismo e desen volvimento para garantir a armazenagem ideal de recur sos alimentares que as capacita a sobreviver ao próximo período mesmo às expensas da produção de sementes Aclimatação e adaptação As plantas individuais respondem diretamente a mudan ças no ambiente alterando sua fisiologia ou morfologia para melhorar a sobrevivência e a reprodução Tais res postas não requerem novas modificações genéticas Se a resposta da planta melhora com a exposição repetida ao estresse ambiental então ela é chamada de aclimatação A aclimatação representa uma mudança não permanente na fisiologia ou morfologia do indivíduo podendo ser re vertida se as condições ambientais prevalentes se altera rem Os mecanismos epigenéticos que alteram a expressão de genes sem mudar o código genético de um organismo podem estender a duração das respostas de aclimatação e tornálas herdáveis Quando as mudanças genéticas em uma população vegetal inteira foram fixadas ao longo de muitas gerações por pressão ambiental seletiva elas são referidas como adaptação A adaptação ao estresse envolve modificação genética durante muitas gerações Um exemplo notável de adaptação a um ambiente abiótico extremo é o crescimento de plantas em solos serpenti nos Os solos serpentinos são caracterizados por umidade baixa concentrações baixas de macronutrientes e níveis elevados de metais pesados Essas condições resultariam em estresse ambiental severo para a maioria das plantas Contudo não é incomum encontrar populações de plantas geneticamente adaptadas a solos serpentinos crescendo não distante de plantas estritamente aparentadas e não adaptadas crescendo em solos normais Experimentos simples de transplante têm demonstrado que somente as populações adaptadas conseguem crescer e se reproduzir em solo serpentino e cruzamentos genéticos revelam a base genética estável dessa adaptação A evolução de mecanismos adaptativos vegetais a um conjunto especial de condições ambientais em geral envolve processos que permitem a evitação dos efeitos potencialmente danosos dessas condições Por exemplo populações do capimlanudo Holcus lanatus Poaceae que estão adaptadas a crescer em locais de mineração conta minados com arsênico no sudoeste da Inglaterra contêm uma modificação genética específica que reduz a absorção de arseniato isso permite que as plantas evitem a toxicida de do arsênico e se desenvolvam em locais contaminados As populações que crescem em solos não contaminados ao contrário têm menos probabilidade de conter essa mo dificação genética A aclimatação permite que as plantas respondam às flutuações ambientais Além das modificações genéticas em populações intei ras as plantas individualmente podem aclimatarse às mudanças periódicas no ambiente por alteração direta de sua morfologia ou fisiologia As mudanças fisiológi cas associadas à aclimatação requerem modificações não genéticas muitas das quais são reversíveis Um exemplo de aclimatação oriundo da jardinagem é um processo co nhecido como rustificação hardening off Para acelerar o crescimento de plantas os jardinistas muitas vezes come çam cultivandoas dentro de locais protegidos em vasos sob condições de crescimento ideais Após as plantas são colocadas no lado de fora durante parte do dia por um período suficiente para aclimatálas ou fortalecêlas ao clima ao ar livre antes de deixálas permanentemente no ambiente externo A adaptação genética e a aclimatação contribuem para a tolerância geral de extremos das plantas em seu ambien te abiótico No exemplo anterior a adaptação genética na Controle Seca moderada Seca severa Figura 242 Comparação entre indivíduos de arroz submetidos à seca e indivíduocontrole não submetido à seca Enquanto um nível moderado de seca não tem um efeito significativo no cresci mento das plantas a seca severa reduz o crescimento Cortesia de Eduardo Blumwald 734 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento população de capimlanudo tolerante ao arsênico apenas reduz a absorção de arseniato ela não a interrompe Para mitigar os efeitos tóxicos de arseniato acumulado as plan tas adaptadas adotam o mesmo mecanismo bioquímico que as plantas não adaptadas usam para responder aos efeitos tóxicos da acumulação de arseniato nos tecidos Esse mecanismo envolve a biossíntese de moléculas de baixo peso molecular com capacidade de ligação a metais denominadas fitoquelatinas discutidas mais adiante neste capítulo que reduzem a toxicidade do arsênico Portan to a capacidade do capimlanudo de desenvolverse em resíduos contaminados com arsênico depende de uma adaptação genética específica para a população tolerante exclusão do arseniato ver Mecanismos de exclusão e de tolerância interna permitem que as plantas suportem íons tóxicos adiante neste capítulo e da aclimatação que é comum a todas as plantas que respondem ao arsênio me diante produção de fitoquelatinas Outro exemplo de aclimatação é a resposta de plantas sensíveis à salinidade denominadas plantas glicofíticas Embora não sejam geneticamente adaptadas a crescer em ambientes salinos quando expostas à salinidade elevada as plantas glicofíticas podem ativar várias respostas ao estresse que lhes permitem enfrentar perturbações fisio lógicas impostas pela salinidade elevada em seu ambien te Por exemplo a rota SOS uma rota de sinalização em mutantes salt overly sensitive leva ao aumento do efluxo de Na a partir das células e a uma redução na toxicidade induzida pela salinidade Fatores ambientais e seus impactos biológicos nas plantas Nesta seção é feita uma breve descrição das maneiras pelas quais diferentes estresses ambientais podem trans tornar o metabolismo vegetal Como em cada sistema biológico a sobrevivência e o crescimento vegetais depen dem de redes complexas de rotas anabólicas e catabólicas associadas que direcionam o fluxo de energia e recursos dentro das células e entre elas A ruptura dessas redes por fatores ambientais pode provocar o desacoplamento dessas rotas Por exemplo as enzimas metabólicas muitas vezes têm ótimos de temperatura diferentes Aumentos ou diminuições na temperatura podem inibir um subconjun to de enzimas sem afetar outras enzimas na mesma rota ou em rotas conectadas É possível que tal desacoplamento funcional de rotas metabólicas resulte na acumulação de compostos intermediários que podem ser convertidos em subprodutos tóxicos Entre os grupos de intermediários tóxicos produzidos por estresse o mais comum é o das espécies reativas de oxigênio EROs que são formas de oxigênio altamente reativas que possuem ao menos 1 elétron não pareado em suas orbitais Elas são capazes de reagir rapidamente com uma ampla diversidade de constituintes celulares e oxidá los estes incluem proteínas DNA RNA e lipídeos As for mas mais comuns de EROs em células vegetais são superó xido O2 oxigênio singleto 1O2 peróxido de hidrogênio H2O2 e radicais hidroxila OH Figura 243 As EROs podem também desencadear um processo autocatalítico de oxidação de membranas resultando na degradação de organelas e da membrana plasmática bem como na morte celular A despeito de suas diferenças mecanistas a maioria dos estresses resulta na produção de EROs Figura 244 O estresse ambiental pode também transtornar a compartimentalização de processos metabólicos isolando os de outros componentes celulares Os mesmos extremos de temperatura que podem inibir a atividade enzimática também afetam a fluidez de membranas a temperatura alta provoca aumento da fluidez e a temperatura baixa provoca sua diminuição As mudanças na fluidez de mem branas podem desarticular a associação entre diferentes O O O O O O H O Oxigênio Ânion superóxido Peróxido Radical hidroxila O2 e O2 O2 O2 H2O2 O2 HO HO H2O 2 e e 2 H e H Figura 243 Química de espécies reativas de oxigênio EROs O oxigênio molecular não tem quaisquer elétrons não pareados em suas orbitais Porém diferentes formas de EROs possuem pelo me nos 1 elétron não pareado disponível e podem aceitar elétrons e de diversas moléculas celulares causando sua oxidação Espécies reativas de oxigênio Seca Ozônio Salinidade Luminosidade alta Crescimento desenvolvimento produtividade Transdução de sinal de resposta ao estresse Frio Congelamento Anaeróbico para aeróbico Calor UV Figura 244 Papel duplo de espécies reativas de oxigênio EROs durante o estresse abiótico Uma diversidade de estresses abióticos resulta na acumulação de EROs nas células De um lado as EROs têm um efeito negativo no crescimento no desenvolvimento e na produtividade vegetais Por outro lado a acumulação das EROs tem um efeito positivo nas células pela ativação das rotas de transdução de sinal que induzem os mecanismos de aclimatação Esses por sua vez neutralizam os efeitos negativos do estresse incluindo a acumulação de EROs Capítulo 24 Estresse Abiótico 735 complexos proteicos no cloroplasto ou nas membranas mi tocondriais resultando na transferência descontrolada de elétrons para o oxigênio e na formação de EROs O déficit hídrico diminui a pressão de turgor aumenta a toxicidade iônica e inibe a fotossíntese Como na maioria dos outros organismos a água represen ta a maior proporção do volume celular nas plantas e é o recurso mais limitante Cerca de 97 da água captada pe las plantas são perdidos para a atmosfera principalmente pela transpiração Cerca de 2 são usados para aumento de volume ou expansão celular e 1 para processos me tabólicos predominantemente a fotossíntese ver Capítulos 3 e 4 O déficit de água disponibilidade hídrica insuficien te ocorre na maioria dos hábitats naturais ou agrícolas e é causado principalmente por períodos intermitentes até contínuos sem precipitação Seca é o termo meteorológico para um período de precipitação insuficiente que resulta em déficit hídrico para a planta Todavia essa definição é algo ilusória pois uma lavoura pode absorver água do solo em situações sem chuva dependendo da capacidade de reten ção de água pelo solo e da profundidade do lençol freático O déficit hídrico pode afetar diferentemente as plantas durante os crescimentos vegetativo e reprodutivo Quan do as células vegetais ficam submetidas ao déficit hídrico ocorre desidratação celular A desidratação celular afeta adversamente muitos processos fisiológicos básicos Tabe la 241 Por exemplo durante o déficit hídrico o potencial hídrico Ψ do apoplasto tornase mais negativo que o do simplasto provocando reduções no potencial de pressão turgor ΨP e no volume Um efeito secundário da desi dratação celular é que os íons ficam mais concentrados podendo tornarse citotóxicos O déficit hídrico também induz a acumulação de ácido abscísico ABA que promo ve o fechamento estomático reduzindo as trocas gasosas e TABELA 241 Transtornos fisiológicos e bioquímicos em plantas causadas por flutuações no ambiente abiótico Fator ambiental Efeitos primários Efeitos secundários Déficit hídrico Redução do potencial hídrico Ψ Desidratação celular Resistência hidráulica Redução da expansão celularfoliar Redução das atividades celulares e metabólicas Fechamento estomático Inibição fotossintética Abscisão foliar Alteração na partição do carbono Citorrise Cavitação Desestabilização de membranas e de proteínas Produção de EROs Citotoxicidade iônica Morte celular Salinidade Redução do potencial hídrico Ψ Desidratação celular Citotoxicidade iônica O mesmo que para o déficit hídrico ver acima Inundação e compactação do solo Hipoxia Anoxia Redução da respiração Metabolismo fermentativo Produção de ATP inadequada Produção de toxinas por micróbios anaeróbicos Produção de EROs Fechamento estomático Temperatura elevada Desestabilização de membranas e de proteínas Inibição fotossintética e respiratória Produção de EROs Morte celular Resfriamento Desestabilização de membranas Disfunção de membranas Congelamento Redução do potencial hídrico Ψ Desidratação celular Formação simplástica de cristais de gelo O mesmo que para o déficit hídrico ver acima Destruição física Toxicidade por elementos traço Distúrbio do cofator de ligação a proteínas e DNA Produção de EROs Transtorno do metabolismo Intensidade luminosa alta Fotoinibição Produção de EROs Inibição do reparo do PSII Redução da fixação de CO2 736 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento inibindo a fotossíntese Figura 245 Como consequência do desacoplamento dos fotossistemas induzido pela de sidratação os elétrons livres produzidos pelos centros de reação não são transferidos para NADP levando à geração de EROs As EROs em excesso danificam o DNA inibem a síntese de proteínas oxidam os pigmentos fotossintéticos e causam a peroxidação de lipídeos de membrana O estresse salino tem efeitos osmóticos e citotóxicos O excesso de salinidade no solo produzido por uma com binação de irrigação excessiva e drenagem insuficiente afeta grandes áreas da massa terrestre do mundo e tem um impacto severo na agricultura Estimase que 20 de toda a terra irrigada estejam atualmente afetados pelo estresse salino Esse estresse tem dois componentes estresse os mótico não específico que causa déficits de água e efeitos iônicos específicos resultantes da acumulação de íons tóxi cos que interferem na absorção de nutrientes e provocam citotoxicidade As plantas tolerantes ao sal geneticamente adaptadas à salinidade são denominadas halófitas do grego halo salgado ao passo que as plantas menos tolerantes ao sal não adaptadas à salinidade são chama das de glicófitas do grego glyco doce Sob condições não salinas o citosol de células de plantas superiores con tém cerca de 100 mM de K e menos de 10 mM de Na um ambiente iônico no qual as enzimas têm funcionamento ótimo Em ambientes salinos os níveis citosólicos de Na e Cl superam 100 mM e esses íons se tornam citotóxicos As concentrações altas de sais causam desnaturação de proteínas e desestabilização de membranas pela redução da hidratação dessas macromoléculas Contudo Na é um desnaturante mais potente do que K Em concentrações elevadas o Na apoplástico também compete por sítios no transporte de proteínas que são necessárias para a absor ção de K de alta afinidade ver Capítulo 6 um macronu triente essencial ver Capítulo 5 Os efeitos da salinidade alta nas plantas ocorrem por um processo de duas fases uma resposta rápida à eleva da pressão osmótica na interface raizsolo e uma respos ta mais lenta causada pela acumulação de Na e Cl nas folhas Na fase osmótica há uma diminuição no cresci mento da parte aérea com redução da expansão foliar e inibição da formação de gemas laterais A segunda fase inicia com a acumulação de quantidades tóxicas de Na nas folhas levando à inibição da fotossíntese e dos pro cessos biossintéticos Embora na maioria das espécies o Na atinja concentrações tóxicas antes do Cl algumas espécies com as cítricas a videira e a soja são altamente sensíveis ao excesso de Cl O estresse luminoso pode ocorrer quando plantas adaptadas ou aclimatadas à sombra são sujeitas à luz solar plena O estresse luminoso pode ocorrer quando o excesso de alta intensidade luminosa absorvido pela planta supera a ca pacidade da maquinaria fotossintética de converter luz em açúcares como no caso de uma planta adaptada ou acli matada à sombra repentinamente sujeita à luz solar ple na Em resposta à sombra a maioria das plantas terrestres adiciona ao PSII mais unidades de clorofila de captação de luz LHCII lightharvesting chlorophyll aumentando o ta manho da antena ou eleva o número de centros de reação do PSII em relação ao PSI aumentando a captura de luz e a transferência de energia ver Capítulo 7 Se as plantas adaptadas ou aclimatadas à sombra forem repentinamen te submetidas à luz solar plena o excesso de energia lu minosa absorvido pelos complexos antena ampliados e transferidos para os centros de reação pode superar a ca pacidade de a reação no escuro converter energia em açú cares Em vez disso os elétrons que chegam aos centros de reação são desviados para o oxigênio atmosférico gerando EROs que por sua vez podem causar dano celular O estresse térmico afeta um amplo espectro de processos fisiológicos O estresse térmico prejudica o metabolismo vegetal de vido a seu efeito diferencial sobre a estabilidade proteica e reações enzimáticas Isso provoca o desacoplamento de diferentes reações e a acumulação de intermediários tóxicos e EROs O estresse pelo calor aumenta a fluidez das membranas enquanto o estresse pelo frio diminui a fluidez das membranas provocando o desacoplamento de diferentes complexos multiproteicos a perturbação do fluxo de elétrons e das reações energéticas além da desar ticulação da homeostase e da regulação iônica O calor e o frio podem também desestabilizar e desintegrar ou su perestabilizar e fortalecer estruturas secundárias de DNA e RNA respectivamente causando a ruptura da transcri ção tradução ou processamento e reciclagem turnover de RNA Além disso o estresse térmico pode bloquear a degradação de proteínas causando o fortalecimento de agregados proteicos Essas massas proteicas transtornam Taxa fotossintética µmol CO2 m2 s1 15 10 20 0 10 5 0 04 08 12 16 Potencial hídrico foliar MPa Velocidade de expansão foliar porcentagem de aumento da área foliar por 24 h Expansão foliar Fotossíntese Figura 245 Efeitos do estresse hídrico na fotossíntese e na expansão foliar do girassol Helianthus annuus Nessa espécie a expansão foliar é completamente inibida sob níveis moderados de estresse que afetam de maneira grave as taxas fotossintéticas De Boyer 1970 Capítulo 24 Estresse Abiótico 737 as funções celulares normais por interferência no funcio namento do citoesqueleto e de organelas associadas A inundação resulta em estresse anaeróbico à raiz Quando um campo é inundado os níveis de O2 na superfície da raiz decrescem drasticamente porque a maior parte do ar no solo é deslocada pela água considerando que a concen tração de O2 da água é expressivamente mais baixa que a do ar a atmosfera contém cerca de 20 de O2 ou 200000 ppm em comparação com menos de 10 ppm de O2 dissolvido no solo inundado Nessas condições a respiração nas raízes é suprimida e a fermentação é aumentada Essa mudança me tabólica pode provocar esgotamento de energia acidificação do citosol e toxicidade pela acumulação de etanol Como consequência do esgotamento de energia muitos processos como a síntese de proteínas são suprimidos O estresse ana eróbico pode causar morte celular em horas ou dias depen dendo do grau de adaptação genética da espécie Mesmo se a planta privada de O2 retornar aos níveis normais desse gás o processo de recuperação por si só pode constituir um perigo Enquanto as raízes estiverem sob es tresse anaeróbico a ausência de O2 impede a formação de EROs Porém se o nível de O2 no solo aumentar rapida mente grande parte dele é utilizada para formar EROs causando dano oxidativo às células da raiz Durante o estresse por congelamento a formação de cristal de gelo extracelular provoca desidratação celular As plantas sujeitas a temperaturas de congelamento de vem enfrentar a formação de cristais de gelo tanto no âmbito extracelular quanto no intracelular A formação de cristais de gelo intracelular quase sempre se mostra letal à célula No entanto a água no apoplasto é relativamen te diluída e portanto tem um ponto de congelamento mais alto do que a do simplasto mais concentrado Como consequência cristais de gelo tendem a se formar no apo plasto e em traqueídes e vasos ao longo dos quais o gelo pode se propagar rapidamente A formação de cristais de gelo diminui o potencial hidrico Ψ do apoplasto que se torna mais negativo que o do simplasto Água não conge lada dentro da célula se move para baixo nesse gradiente em direção aos cristais de gelo nos espaços intercelulares À medida que a água deixa a célula a membrana plasmá tica contraise e afastase da parede celular Durante esse processo a membrana plasmática enrijecida pela tempe ratura baixa pode ficar danificada Quanto mais baixa a temperatura mais água se desloca para baixo nesse gra diente em direção à água congelada Por exemplo a 10oC o simplasto perde cerca de 90 de sua água osmoticamen te ativa para o apoplasto Nesse sentido o estresse pelo congelamento tem muito mais em comum com o estresse pela seca Como ocorre com o estresse pela seca as célu las que já estão desidratadas como as nas sementes e nos grãos de pólen têm menos probabilidade de passarem por outra desidratação pela formação de cristais extracelulares Os metais pesados podem imitar nutrientes minerais essenciais e gerar espécies reativas de oxigênio A absorção de metais pesados como cádmio Cd arsênico As e alumínio Al pela célula vegetal pode levar à acu mulação de EROs inibição da fotossíntese desorganização da estrutura de membrana e homeostase iônica inibição de reações enzimáticas e ativação da morte celular progra mada MCP Uma razão pela qual os metais pesados são tão tóxicos é que eles podem imitar outros metais essen ciais p ex Ca2 e Mg2 assumir seus lugares em reações essenciais e romper essas reações O cádmio por exemplo pode substituir o magnésio na clorofila ou o cálcio na cal modulina proteína de sinalização do cálcio prejudicando a fotossíntese e a transdução de sinal A imitação de ele mentos essenciais pode também explicar o ingresso de cá dmio e outros metais pesados nas células via canais que se desenvolveram para transportar elementos essenciais Os metais pesados podem também ligarse a diferentes enzimas e inibilas além de interagir diretamente como o oxigênio para formar EROs As deficiências de nutrientes minerais são uma causa de estresse Conforme foi discutido no Capítulo 5 as deficiências em um ou mais nutrientes minerais essenciais provocam uma gama de desordens no metabolismo vegetal Essas defi ciências podem ocorrer mesmo na presença de um supri mento adequado de nutrientes se o pH do solo converter o equilíbrio do nutriente em uma forma insolúvel tornan doo indisponível para absorção A maioria dos nutrientes minerais está disponível entre níveis de pH de 45 e 65 e tornase insolúvel abaixo ou acima dessa faixa ver Figu ra 55 O estresse nutricional ou o estresse por pH quase sempre resulta na supressão do crescimento e da repro dução vegetal A razão dessa supressão é que os nutrien tes minerais são componentes de enzimas essenciais e de constituintes estruturais das células Um fornecimento insuficiente de ferro ou magnésio por exemplo resulta no decréscimo do conteúdo de heme que é necessário para a biossíntese de clorofilas e citocromos Sem clorofilas e citocromos para conduzir as transferências de elétrons a produção de energia na célula cessa O ozônio e a luz ultravioleta geram espécies reativas de oxigênio que causam lesões e induzem a morte celular programada O ozônio penetra na planta pelos estômatos abertos e é convertido em diferentes formas de EROs Essas EROs causam peroxidação lipídica e a oxidação de proteínas RNA e DNA Esses efeitos tóxicos induzem a formação de lesões em folhas que são características da ativação da MCP Em geral o tipo de lesões clorose de folhas e ne crose de tecidos e a gravidade das injúrias dependem do grau de exposição ao ozônio e podem variar nas diferentes 738 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento espécies vegetais A diminuição da espessura da camada de ozônio na atmosfera superior da Terra reduz a filtragem da radiação ultravioleta UV resultando em um aumento nessa radiação que atinge a superfície da Terra Além de seus efeitos na fotossíntese a radiação UV também induz a formação de EROs que podem provocar mutações duran te a replicação do DNA A acumulação de EROs induzida pela UV provoca a ativação da MCP e a formação de lesões O estresse pelo ozônio e pela UV causa supressão do cres cimento vegetal e redução dos rendimentos agronômicos Combinações de estresses abióticos podem induzir rotas de sinalização e metabólicas exclusivas No campo as plantas são muitas vezes sujeitas simulta neamente a uma combinação de estresses abióticos dis tintos Os estresses pela seca e pelo calor são exemplos de dois tipos que quase sempre ocorrem juntos no ambiente com resultados devastadores Entre 1980 e 2004 nos Esta dos Unidos o custo do dano à lavoura devido à seca mais o calor foi seis vezes maior do que o custo devido à seca sozinha Figura 246A A aclimatação fisiológica de plantas a uma combinação de estresses abióticos distintos é diferente da aclimatação a estresses abióticos distintos aplicados individualmente A Figura 246B mostra os efeitos do calor e da seca aplica dos separadamente sobre quatro parâmetros fisiológicos de Arabidopsis fotossíntese respiração condutância estomáti ca e temperatura foliar Os perfis fisiológicos referentes aos dois estresses aplicados de maneira individual foram com pletamente diferentes O calor sozinho causou uma elevação da temperatura foliar e um aumento grande na condutância estomática A seca no entanto foi mais inibidora à fotossín tese e à abertura estomática O principal efeito da combina ção de seca e calor foi uma elevação expressiva na tempera tura foliar que poderia ser letal à planta A combinação de calor e seca também induziu pa drões de expressão gênica e biossíntese de metabólitos diferentes daqueles para cada estresse individualmente Conforme mostra a Figura 246C seca mais calor causa ram a acumulação de 772 transcritos únicos amarelo e 5 metabólitos únicos amarelo demonstrando que a acli matação de plantas à combinação deles é diferente em muitos aspectos da aclimatação de plantas ao estresse pela seca ou pelo calor aplicados individualmente As diferen ças em parâmetros fisiológicos acumulação de transcritos e metabólitos poderiam ser uma consequência de respos tas fisiológicas conflitantes aos dois estresses Por exem plo durante o estresse pelo calor as plantas aumentam sua condutância estomática que esfria suas folhas pela trans piração Contudo se o estresse pelo calor ocorrer simulta neamente com a seca os estômatos são fechados provo cando uma elevação de 2 a 5oC da temperatura foliar 0 20 40 60 80 100 120 140 A C Bilhões de dólares americanos Seca e calor Seca Seca 1571 765 208 729 255 772 77 Transcritos Calor 540 Seca e calor 1833 Seca 23 10 3 8 10 5 5 Metabólitos Calor 18 Seca e calor 28 Congela mento Inundação 0 50 100 150 200 250 B Porcentagem do controle Controle Calor Seca Seca e calor Fotossíntese Respiração Condutância estomática Temperatura foliar Figura 246 Efeito da combinação de estresses abióticos na pro dutividade na fisiologia e nas respostas moleculares de plantas A Entre 1980 e 2004 as perdas na agricultura dos Estados Unidos resultantes da combinação de estresse pela seca e pelo calor fo ram muito mais altas do que as perdas causadas pela seca pelo congelamento ou pela inundação individualmente B Efeito da combinação de seca e calor na fisiologia vegetal Observe o fecha mento completo dos estômatos que resulta em uma temperatura foliar mais elevada C Diagramas de Venn mostrando o efeito da combinação de seca e calor sobre o transcriptoma à esquerda e o metaboloma à direita de plantas De Mittler 2006 Capítulo 24 Estresse Abiótico 739 O estresse salino ou por metais pesados poderia cons tituir um problema similar quando combinado com o es tresse pelo calor porque o aumento da transpiração po deria determinar o aumento da absorção de sal ou metais pesados Por outro lado algumas combinações de estres ses poderiam ter efeitos benéficos em plantas em compa ração aos estresses individuais aplicados separadamente Por exemplo a seca que causa fechamento estomático poderia potencialmente acentuar a tolerância ao ozônio A matriz de estresses mostrada na Figura 247 resume as diferentes combinações de condições ambientais que poderiam ter um impacto significante na produção agrí cola Entre várias combinações de estresses que poderiam ter um efeito deletério na produtividade de lavouras estão seca e calor salinidade e calor estresse nutricional e seca bem como estresse nutricional e salinidade As interações que poderiam ter um impacto benéfico abrangem seca e ozônio ozônio e UV assim como concentração elevada de CO2 combinada com seca ozônio e luminosidade alta As interações de estresses mais estudadas talvez se jam aquelas de diferentes estresses abióticos com estres ses bióticos como pragas ou patógenos Na maioria dos casos a exposição prolongada às condições de estresses abióticos como a seca ou a salinidade resulta no enfra quecimento das defesas vegetais e no aumento da susceti bilidade a pragas ou patógenos A exposição sequencial a estresses abióticos diferentes às vezes confere proteção cruzada Vários estudos têm registrado que a aplicação de uma de terminada condição de estresse abiótico pode aumentar a tolerância de plantas a uma exposição subsequente a um tipo diferente de estresse abiótico Esse fenômeno é de nominado proteção cruzada Isso ocorre porque muitos estresses provocam acumulação das mesmas proteínas gerais de resposta ao estresse e metabólitos por exemplo enzimas inativadoras de EROs chaperonas moleculares e osmoprotetores que persistem nas plantas por algum tempo mesmo após as condições de estresse terem abran dado A aplicação de um segundo estresse às mesmas plantas submetidas ao estresse inicial pode ter por isso um efeito reduzido pois elas já estão preparadas e prontas para enfrentar vários aspectos diferentes das novas condi ções de estresse O exemplo de proteínas de choque térmi co é discutido mais adiante neste capítulo Mecanismos sensores de estresse em plantas As plantas usam diversos mecanismos sensores de es tresse abiótico Como discutido anteriormente o estresse ambiental rompe ou altera muitos processos fisiológicos vegetais afetando a estabilidade de proteínas ou do RNA o transporte iônico o acoplamento de reações ou outras funções celulares Algumas dessas perturbações primá rias poderiam estar sinalizando à planta que ocorreu uma mudança nas condições ambientais e que é o momento de responder mediante alteração de rotas existentes ou ati vação de rotas de resposta ao estresse Pelo menos cinco tipos diferentes de mecanismos sensores de estresse po dem ser distinguidos Sensor físico referese aos efeitos mecânicos de estres se na planta ou na estrutura celular como por exem plo o encolhimento da membrana plasmática em re lação à parede celular durante o estresse pela seca Sensor biofísico pode envolver mudanças na estrutura proteica ou na atividade enzimática como a inibição de diferentes enzimas durante o estresse pelo calor Sensor metabólico em geral resulta da detecção de subprodutos que se acumulam nas células devido ao desacoplamento de reações enzimáticas ou de trans ferência de elétrons como a acumulação de EROs du rante o estresse causado pela luminosidade excessiva Sensor bioquímico com frequência envolve a presença de proteínas especializadas que se desenvolveram como sensoras de um estresse em especial por exem plo canais de cálcio que podem sentir alterações na temperatura e alterar a homeostase do Ca2 Sensor epigenético referese às modificações da estru tura do DNA ou do RNA que não alteram sequências genéticas como as alterações na cromatina que ocor rem durante o estresse térmico Impacto negativo potencial Impacto positivo potencial Desconhecido Sem interação Seca Salinidade Calor Resfriamento Congelamento Ozônio Patógeno UV Deficiência de nutrientes Concentração alta de CO2 Luminosidade alta Seca Salinidade Calor Resfriamento Congelamento Ozônio Patógeno UV Deficiência de nutrientes Concentração alta de CO2 Luminosidade alta Figura 247 Matriz de estresses Diferentes combinações de es tresses ambientais potenciais podem ter efeitos distintos em lavou ras A matriz é codificada com cores para indicar as combinações que foram estudadas com diferentes culturas agrícolas e seu efeito geral no crescimento e na produtividade De Mittler e Blumwald 2010 740 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Cada um desses mecanismos sensores de estresse pode atuar individualmente ou em combinação para ativar rotas de transdução de sinal a jusante Sensores de ação precoce fornecem o sinal inicial para a resposta ao estresse A Figura 248 apresenta um diagrama dos possíveis even tos iniciais no mecanismo sensor de estresse abiótico e as rotas de transdução de sinal e de aclimatação ativadas por esses eventos Até agora foram identificados vários exem plos possíveis de mecanismos sensores de estresse que atuam na rota Eles incluem Um canal de cálcio canal de cálcio regulado por nu cleotídeos cíclicos identificado em Arabidopsis que é sensível às alterações na temperatura e necessário para a aclimatação ao estresse pelo calor Uma quinase SnRK1 quinase 1 relacionada a SNF1 de SNF1related kinase 1 que é sensível ao esgotamen to da energia durante o estresse e ativa centenas de transcritos de resposta ao estresse Uma histidina quinase de membrana plasmática ATHK1 que é sensível ao estresse osmótico e ativa res postas dependentes de ABA e independentes de ABA Uma proteína Srlk quinase receptora rica em repeti ções de leucina LRRK leucinerich repeat receptor ki nase que em Arabidopsis atua como um regulador a montante de resposta à salinidade Uma enzima 1 requerente de inositol IRE1 inositol requiring enzyme sensor na membrana do retículo endoplasmático que é uma proteínachave necessária para a tolerância ao calor em plantas Um fator de resposta ao etileno associado à hipoxia membro do grupo VII dos fatores de transcrição que é sensível aos níveis de oxigênio durante a resposta à hipoxia Nos últimos anos os cientistas co meçaram a usar ferramentas avançadas como a transcriptômica a proteômica e a metabolômica para estudar simultanea mente milhares de transcritos proteínas e compostos químicos que são alterados nas plantas em resposta ao estresse abió tico Essas análises genômicas em gran de escala permitiram aos pesquisadores identificar importantes rotas de resposta ao estresse e redes envolvidas na aclimatação das plantas Na próxima seção são estudadas algumas das principais rotas de sina lização utilizadas pelas plantas para realizar a transdução de sinais específicos de estresse e aclimatarse às novas condições de estresse Rotas de sinalização ativadas em resposta ao estresse abiótico Os mecanismos iniciais sensores de estresse já descritos desencadeiam uma resposta a jusante que compreende múltiplas rotas de transdução de sinal Essas rotas envol vem cálcio proteínas quinases proteínas fosfatase sina lização de EROs ativação de reguladores de transcrição acumulação de hormônios vegetais e assim por diante Os sinais específicos de estresse que emergem dessas ro tas por sua vez ativam ou suprimem diversas redes que podem permitir a continuidade do crescimento e da re produção sob condições de estresse ou capacitam a planta a sobreviver ao estresse até o retorno de condições mais favoráveis Nesta seção são consideradas mais detalhada mente essas rotas de sinalização e suas interações Os intermediários da sinalização de muitas rotas de resposta ao estresse podem interagir Os aumentos induzidos pelo estresse nas concentrações de cálcio citosólico e EROs são importantes eventos de sinali zação inicial em muitas rotas de aclimatação Os níveis de cálcio celular são controlados por canais de cálcio trans portadores de Ca2H do tipo antiporte e Ca2ATPases que medeiam sua mobilização dos compartimentos de reserva como os vacúolos o retículo endoplasmático e a parede celular ver Capítulo 6 Por meio de vários meca nismos o cálcio regula fatores de transcrição Como mos Estresse abiótico Fluidez de membrana plataformas lipídicas ativação de canais iônicos Ca2 Estabilidade proteica ex posição de resíduos hidro fóbicos traduçãodegra dação alterada desmon tagem do citoesqueleto Transdução de sinal Sinalização de Ca2 Quinasefosfatase Sinalização de EROsredox Fatores de transcrição Hormônios Aclimatação Transcriptoma Proteoma Metaboloma Morte celular programada MCP Alterações na cromatina interações DNAproteína deslocamento de histonas Reações enzimáticas fluxos não acoplados ATP NADPH EROs e alterações redox Desenrolamento do RNA cinética do miRNA funcio namento do espliceossomo Figura 248 Efeitos iniciais no mecanismo sensor de estresse abiótico pelas plantas caixas azuis e nas rotas de transdução de sinal e de aclimatação ativadas por esses eventos caixas amarelas De Mittler et al 2012 Capítulo 24 Estresse Abiótico 741 tra a Figura 249 o cálcio pode ativar a expressão gênica ligandose diretamente a certos fatores de transcrição Como alternativa ele forma complexos de Ca2CaM que podem ativar a transcrição direta ou indiretamente me diante ligação a um fator de transcrição O cálcio também ativa diversas proteínas quinases e fosfatase que regulam a expressão gênica seja por fatores de transcrição fosfori lantes ativadores ou desfosforilantes inibidores Como consequência as vastas redes celulares de proteínas qui nases e fosfatase exercem um papel essencial na integra ção das rotas de resposta ao estresse O nível de estado estacionário de EROs na célula é governado pelo balanço entre reações de geração e rea ções de inativação de EROs Figura 2410 A geração de EROs ocorre em vários compartimentos celulares e como consequência das atividades de oxidases especializadas como NADPHoxidases aminoxidases e peroxidases liga das à parede celular Tabela 242 A inativação de EROs é realizada por moléculas antioxidantes como ascorbato glutationa vitamina E e carotenoides e por enzimas antio xidantes como superóxido dismutase ascorbato peroxida se e catalase Muitos tipos de estresses bióticos e abióticos desencadeiam a produção de EROs ver Figura 244 Como as EROs podem desencadear a abertura de canais de cál Ca2 Ca2 CaM CaM Ca2 Transcrição DNA TF Ca2 Ca2 CaM Ca2 TF TF TF P TF P TF CBK CCaMK CDPK CCaMK CBL CIPK Ca2 TF Fosfatase Fosfatase P ESTRESSE Ca2 P Figura 249 Por diversos mecanismos a elevação do cálcio ce lular induzida pelo estresse pode regular a transcrição O aumento dos níveis de cálcio pode resultar na sua ligação a diferentes pro teínas incluindo fatores de transcrição TFs transcription factors diversas calmodulinas CaM quinases p ex proteínas quinase dependentes de cálcio CDPKs ou proteínas de ligação a quinases p ex CBLs proteínas calcineurinas do tipo B calcineurin Blike que ligam CIPKs proteínas quinase de interação com CBL CBLin teracting protein kinases e fosfatases que direta ou indiretamente ativam ou suprimem a transcrição causando a ativação de rotas de aclimatação CCaMK proteína quinase dependente de calmo dulina e Ca2 CBK proteína quinase de ligação à calmodulina calmodulinbinding protein kinase De Reddy et al 2011 EROs Metabolismo reações de geração de EROs EROs sensores redox Rede de sinalização de EROs redox Ajustes metabólicos Inativação de EROs APXCAT outras Figura 2410 Ciclo básico de EROs Reações metabólicas celula res típicas como fotossíntese respiração fotorrespiração e oxida ção lipídica geram EROs Diversos sensores monitoram os níveis de EROs nas células um aumento nas EROs ativa uma rede de trans dução de sinal que por sua vez ativa mecanismos de inativação de EROs como ascorbato peroxidase APX catalase CAT e superóxi do dismutase SOD A rede de sinalização também modula diversas reações metabólicas e quando necessário suprime algumas das rotas de produção de EROs O resultado geral do ciclo é a manuten ção controlada dos níveis de EROs nas células 742 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento cio e aumentos nas concentrações de Ca2 citosólico podem ativar proteínas quinase dependentes de cálcio CDPKs calciumdependent protein kinases que ativam a NADPH oxidase as rotas de cálcio e EROs podem interagir em um ciclo de retroalimentação positiva Figura 2411 A elevação dos níveis de cálcio e EROs durante os estágios iniciais da resposta ao estresse ativa proteínas quinase e fosfatase que fosforilam e desfosforilam fatores de transcrição diferentes ver Figura 249 Ativação ou inibição de fatores de transcri ção durante o estresse abiótico podem também resultar de mudanças no status redox da célula que são sentidas direta mente por certos fatores de transcrição Quando as plantas são submetidas a múltiplos es tresses pode ocorrer interferência entre hormônios men sageiros secundários e proteínas quinase ou fosfatase envolvidas em cada uma das rotas de estresse Proteínas quinase ativadas por mitógeno MAPKs mitogenactivated protein kinases por exemplo regulam várias respostas aos EROs O2 O2 Citosol Espaço apoplástico Ca2 Canal de cálcio ativado por EROs Ca2 CDPK COO NH 3 NADPH Ser148 Ser39 Ser347 Ser343 FAD EF EF e H H H H Fe Fe P P P P Proteína RBOH Membrana plasmática H2O2 e e TABELA 242 Espécies reativas de oxigênio Molécula Abreviaturas Fontes Oxigênio molecular estado basal tripleto O2 3 Forma mais comum do gás dioxigênio Oxigênio singleto primeiro estado excitado singleto 1O2 1Δ Irradiação por UV fotoinibição reações de transferência de elétrons no PSII Ânion superóxido O2 Reações mitocondriais de transferência de elétrons reação de Mehler redução de O2 pelo centro ferroenxofre do PSI fotorrespiração nos glioxissomos reações nos peroxissomos membrana plasmática oxidação do paraquat fixação de nitrogênio defesa contra patógenos reação de O3 e OH no apoplasto homóloga da queima respiratória NADPHoxidase Peróxido de hidrogênio H2O2 Fotorrespiração βoxidação decomposição de O2 induzida por prótons defesa contra patógenos Radical hidroxila OH Decomposição de O3 no apoplasto defesa contra patógenos reação de Fenton Radical peridroxila HO2 Reação de O3 e OH no apoplasto Ozônio O3 Descarga elétrica ou irradiação UV na estratosfera irradiação UV de produtos da combustão na troposfera Óxido nítrico NO Nitrato redutase redução de nitrito pela cadeia mitocondrial de transporte de elétrons Fonte Jones et al 2013 Figura 2411 Interação entre EROs e si nalização do cálcio mediada por proteínas homólogas da oxidase de queima respirató ria RBOH respiratory burst oxidase homo log NADPHoxidases proteínas quinase dependentes de cálcio CDPKs e canais de cálcio ativados por EROs As EROs ativam canais de cálcio na membrana plasmática à esquerda A seguir os níveis elevados de cálcio no citosol ativam as CDPKs parte in ferior que fosforilam e ativam as proteínas RBOH à direita as quais geram mais EROs As proteínas RBOH têm seis domínios trans membrana O domínio citoplasmático ami noterminal de proteínas RBOH contém qua tro serinas Ser que podem ser fosforiladas por CDPKs e dois EFhands que podem se ligar diretamente ao cálcio Canais de cálcio similares ativados por EROs são encontrados na membrana do vacúolo não mostrados Capítulo 24 Estresse Abiótico 743 estresses abióticos em Arabidopsis As MAPKs partici pam nas cascatas MAP3KMAP2KMAPK coletivamen te conhecidas como módulos de MAPKs As respostas a estresse térmico estresse oxidativo estresses salino e os mótico e estresse pela seca são reguladas por módulos da mesma rota básica das MAPKs Figura 2412 Essas qua tro respostas ao estresse também compartilham interme diários de sinalização a montante tais como cálcio ácido fosfatídico e EROs Portanto a produção de intermediários de sinalização em qualquer uma das respostas ao estresse pode afetar as outras três respostas A aclimatação ao estresse envolve redes reguladoras transcricionais denominadas regulons Os reguladores transcricionais ou fatores de transcrição são proteínas que ligam sequências específicas de DNA e ativam ou suprimem a expressão de genes diferentes Um fator de transcrição específico pode ligarse aos promoto res de centenas de genes diferentes e afetar simultanea mente sua expressão Um fator de transcrição pode tam bém se ligar ao promotor de um gene que codifica outro fator de transcrição e desse modo ativa ou suprime sua expressão Dessa maneira pode ocorrer uma cascata de regulação transcricional de expressão gênica As combinações de fatores de transcrição diferentes podem gerar uma rede gênica que responde a um estímu lo abiótico específico com alguns genes sendo ativados e alguns suprimidos Essas redes reguladoras transcricio nais que respondem ao estresse abiótico têm sido chama das de regulons de resposta ao estresse Um exemplo de um regulon de resposta ao estresse é mostrado na Figura 2413 A vantagem do uso de regulons para controlar a res posta de plantas a determinado estresse abiótico é que eles ativam rotas específicas de resposta ao estresse ao mesmo tempo em que suprimem outras rotas desnecessárias ou que poderiam até danificar a planta durante o estresse Por exemplo na resposta às condições luminosas altas pode ser necessário suprimir certos genes que codificam proteínas antena fotossintéticas mas pode ser necessário ativar outros genes codificadores da inativação de EROs Os genes dos cloroplastos respondem à intensidade luminosa alta emitindo sinais de estresse ao núcleo Em geral pensase no núcleo como a organela principal da célula que controla as atividades das outras organelas mediante regulação da expressão gênica nuclear Contudo a sinalização retrógrada ou reversa do cloroplasto para o Módulo MAPK generalizado Estímulo do estresse Estresse pela temperatura friocalor Estresse oxidativo Estresse salino e estresse osmótico Estresse pela seca Mensageiros secundários hormônios MEKK1 MEKK1 MKKK20 MEKK1 MEKK1 PDK1 OXI1 PTI14 MKK5 MPK3 MPK3 MPK3 MPK4 MPK6 MPK6 MPK9 MPK12 MPK6 MPK4 MPK4 MPK4 MPK6 MPK4 MKK2 MKK1 MKK2 MKK1 MKK2 MKK1 MKK5 MKK4 MKK1 MKK2 MKK5 Membrana plasmática Ca2 Ca2 Ca2 ABA PA PA PA PA PLD SOS1 MAP3K P EROs EROs EROs ATP ADP MAP2K P MAPK Alvo RAV1 STZ CBFDREB CSD1CSD2 ZAT6 P P ATP ADP Canal de ânions fechamento estomático Figura 2412 Representação esquemática da interferência de diferentes mensageiros secundários hormônios e módulos MAPK que regulam respostas aos estresses abióticos em plantas A pro gressão geral de uma cascata MAP3KMAP2KMAPK ie um módulo MAPK completo é mostrada à esquerda e as rotas ati vadas em resposta a diferentes estresses são mostradas à direita De Smékalová et al 2013 744 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento núcleo também tem sido proposta para mediar a percepção do estresse abiótico Muitas condições de estresse abiótico afetam os cloroplastos de maneira direta ou indireta e podem potencialmente gerar sinais com capacidade de in fluenciar a expressão gênica nuclear e respostas de aclima tação Por exemplo o estresse luminoso pode causar super redução da cadeia de transporte de elétrons aumento da acumulação de EROs e alteração do potencial redox Durante a aclimatação ao estresse luminoso os níveis do complexo de captura de luz II LHCII lightharvesting complex II declinam devido à regulação para baixo do wnregulation do gene Lhcb que codifica a apoproteína Secasalinidade Percepção do sinal Tolerância Frio MYCMYB bZIP DREB1DREB2 NAC MYCRSMYBRS ABRE DRECRT NACRS Rota dependente de ABA Fatores de transcrição Elementos cis de genesalvo Rotas de transdução Rota independente de ABA EROs EROs EROs EROs EROs EROs NADPHoxidase RBOHD Onda de EROs Campo claro 0 min 1 min 5 min 10 min ESTÍMULO B A RESPOSTA 1 cm Figura 2413 Exemplo de duas rotas de trans dução de sinal ativadas por estresse abiótico que usam quatro tipos diferentes de regulons redes de fatores de transcrição para ativar mecanismos de aclimatação Os regulons mostrados perten cem às famílias MYCMYB bZIP DREB e NAC Para cada regulon é apresentado o nome do ele mento cis do DNA ligado pelos fatores de trans crição De Lata e Prasad 2011 Figura 2414 Sinalização sistêmica rápida em resposta à sensação física de uma lesão seta A Imagem do lapso de tempo de um sinal sistêmico rápido iniciado por uma lesão usando um repórter luciferase fusionado ao promotor do gene ZAT12 responsivo a EROs A luz é emitida dos tecidos onde a luciferase é expressa B Modelo esquemático da onda de EROs requerida para mediar a sinalização sistêmica rápida em resposta ao estresse abiótico A onda de EROs é gerada por um processo de produção ativo e autopropagante sem difusão que parte do tecido inicial sujeito ao estresse e se propaga para toda a planta Cada célula ao longo do trajeto do sinal ativa suas proteínas RBOH NADPHoxidase e gera EROs Quando alcança seu alvo sistê mico o sinal ativa os mecanismos de aclimatação na planta inteira A onda de EROs é acompa nhada por uma onda de cálcio e sinais elétricos De Mittler et al 2011 e Suzuki et al 2013 do complexo LHCII ver Capítulo 7 Como o Lhcb é um gene nuclear o cloroplasto emite para o núcleo um sinal de estresse não identificado que regula para baixo a ex pressão desse gene O gene nuclear ABI4 codifica um fator de transcrição que suprime a expressão de genes Lhcb Em Arabidopsis há evidência de que o gene GUN1 do cloro plasto atue a montante de ABI4 durante a aclimatação ao estresse luminoso Em outras palavras a proteína GUN1 percebe o sinal de estresse original no cloroplasto e gera Capítulo 24 Estresse Abiótico 745 ou transmite um segundo sinal ao núcleo que provoca a ligação de ABI4 ao promotor do gene Lhcb e o bloqueio da transcrição A onda de autopropagação de EROs medeia a aclimatação sistêmica adquirida Como na resistência sistêmica adquirida SAR systemic acquired resistance durante o estresse biótico ver Capítu lo 23 o estresse abiótico aplicado a uma parte da planta gera sinais que podem ser transportados para o resto dela iniciando a aclimatação mesmo em partes que não foram submetidas ao estresse Esse processo é chamado de acli matação sistêmica adquirida SAA systemic acquired ac climation Tem sido demonstrado que respostas rápidas de SAA a diferentes condições de estresses abióticos incluin do calor frio salinidade e intensidade luminosa alta são mediadas por uma onda de autopropagação de produção de EROs que se desloca a uma velocidade de cerca de 84 cm min1 e é dependente da presença de uma NADPHoxidase específica homóloga D da oxidase de queima respira tória RBOHD respiratory burst oxidase homolog D a qual está localizada na membrana plasmática Figura 2414 As velocidades rápidas de sinais sistêmicosestresse abiótico detectadas com imagens de luciferase nesses experimentos sugerem que muitas das respostas aos estresses abióticos podem ocorrer de modo muito mais rápido do que se consi derava anteriormente Mecanismos epigenéticos e pequenos RNAs fornecem proteção adicional contra o estresse Até agora discutiramse as respostas ao estresse abiótico em termos de cascatas de sinalização e expressão gênica alterada processos de aclimatação que podem ser rever tidos quando surgem condições mais favoráveis Recente mente a atenção tem enfatizado as mudanças epigenéti cas que potencialmente podem proporcionar adaptação de longo prazo ao estresse abiótico Uma vez que algumas modificações da cromatina são herdáveis por mitose e meiose as mudanças epigenéticas induzidas pelo estresse podem ter implicações evolutivas A imunoprecipitação de cromatina de DNA com ligação cruzada a histonas modi ficadas associada a modernas tecnologias de sequencia mento abriu as portas às análises genômicas de mudanças no epigenoma Metilação estável ou herdável do DNA e modificações das histonas atualmente têm sido vinculadas a estresses abióticos específicos Figura 2415 O papel da regulação epigenética do período de flo rescimento tem sido estudado em Arabidopsis em relação aos genes conhecidos por seu envolvimento no estresse abiótico Mutações em alguns dos genes envolvidos nos processos epigenéticos durante o estresse causam mudan ças nos períodos de floração Por exemplo revelouse que o florescimento tardio do mutante hos15 sensível ao con gelamento resulta da desacetilação dos genes do flores cimento SOC e FT ver Capítulo 20 Normalmente o re pressor do florescimento FLC uma proteína MADSbox é epigeneticamente reprimido durante a vernalização permitindo a aquisição da competência para florescer após exposição prolongada a temperaturas baixas Foi demons trado que esse processo envolve várias proteínas diferen tes que poderiam alterar a remodelação da cromatina O envolvimento de pequenos RNAs em respostas ao estresse abiótico tem recebido mais atenção nos últimos anos Os pequenos RNAs pertencem a pelo menos dois gru pos diferentes microRNAs miRNAs e pequenos RNAs de interferência siRNAs short interfering RNAs endógenos MicroRNAs e siRNAs podem causar silenciamento gêni co póstranscricional via degradação de mRNA no citosol mediada por RISC complexo de silenciamento induzido por RNA RNAinduced silencing complex ver Capítulo 2 Além disso siRNA pode suprimir a expressão gênica mediante al teração das propriedades da cromatina nos núcleos via RITS silenciamento transcricional induzido por RNA RNAin duced transcriptional silencing O envolvimento de pequenos RNAs na supressão da tradução de proteínas durante o es tresse também foi proposto Foi demonstrado que miRNAs e siRNAs controlam a expressão gênica durante diferentes estresses abióticos pelo frio pela deficiência de nutrientes pela desidratação pela salinidade e oxidativo As interações hormonais regulam o desenvolvimento normal e respostas ao estresse abiótico Os hormônios vegetais medeiam uma ampla gama de res postas adaptativas e são essenciais para a capacidade de adaptação das plantas aos estresses abióticos A biossíntese do ABA está entre as respostas mais rápidas de plantas ao es tresse abiótico As concentrações de ABA nas folhas podem aumentar até 50 vezes sob condições de seca a mudança de concentração mais drástica registrada para qualquer hor mônio em resposta a um sinal ambiental A redistribuição ou a biossíntese do ABA é muito eficaz no fechamento esto mático e sua acumulação em folhas estressadas exerce um importante papel na redução da perda de água pela trans piração sob condições de estresse hídrico ver Figura 2424 As elevações na umidade reduzem os níveis de ABA pelo au mento da decomposição desse hormônio permitindo assim a reabertura estomática Mutantes na biossíntese de ABA ou mutantes de resposta são incapazes de fechar seus estômatos sob condições de seca sendo chamados de mutantes wilty Muitos genes associados à biossíntese de ABA assim como genes codificadores de receptores de ABA e componentes de sinalização a jusante têm sido identificados ver Capítulo 15 e Apêndice 3 na internet O ABA também desempenha pa péis importantes na adaptação de plantas às temperaturas baixas e ao estresse salino O estresse pelo frio induz a sínte se de ABA e a aplicação exógena desse hormônio melhora a tolerância das plantas ao frio Outro hormônio vegetal que exerce um papel funda mental na aclimatação a diversos estresses abióticos é a citocinina A citocinina e o ABA têm efeitos antagônicos na abertura estomática na transpiração e na fotossínte 746 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento se A seca resulta no decréscimo dos níveis de citocinina e no aumento dos níveis de ABA Embora o ABA seja nor malmente requerido para o fechamento estomático impe dindo a perda excessiva de água as condições de estresse pela seca podem também inibir a fotossíntese e provocar senescência foliar prematura As citocininas parecem ser capazes de atenuar os efeitos da seca Conforme mostra a Figura 2416 as plantas transgênicas que superexpressam IPT o gene que codifica a enzima isopentenil transferase enzima que catalisa a etapa limitante da taxa de síntese da citocinina exibem aumento da tolerância à seca em comparação com plantas do tipo selvagem Portanto as citocininas são capazes de proteger os processos bioquí micos associados à fotossíntese e retardar a senescência durante o estresse pela seca Além do ABA e da citocinina ácido giberélico auxina ácido salicílico etileno ácido jasmônico e brassinosteroides também exercem papéis importantes na resposta das plan Estresses Estresses abióticos Temperatura não ideal Suprimento de água não ideal Intensidade luminosa não ideal Composição do solo não ideal Restrições mecânicas Estresses bióticos Ataque de patógenos Herbívoros e parasitas Competição Falta de parceiros simbiontes Fenótipo original Fenótipo novo Mudanças na expressão gênica Mudanças epigenéticas Padrões de herança possíveis Histona Grupos acetil Transcrição Cromatina condensada Cromatina descondensada Metilação do DNA Modificação nas caudas de histonas Variantes de histonas DNA Nenhuma descendência herda fenótipo novo Toda descendência herda fenótipo novo Herança variável de fenótipo novo Figura 2415 Mudanças na expressão gênica induzidas por es tresse podem ser mediadas por modificação de proteínaslipídeos ácidos nucleicos mensageiros secundários ou hormônios p ex ácido abscísico ácido salicílico ácido jasmônico e etileno As mu danças na transcrição ou fatores de estresse podem afetar a croma tina via metilação do DNA modificações nas caudas de histonas substituições de variantes de histonas ou perda de nucleossomo e descondensação da cromatina Essas mudanças são reversíveis e podem modificar o metabolismo ou a morfologia da planta sob condições de estresse Geralmente os novos genótipos não são transmitidos à progênie no entanto mudanças associadas à croma tina são potencialmente herdáveis e poderiam resultar em manu tenção uniforme de novas características e diversidade epigenética De Gutzat e MittelstenScheid 2012 Capítulo 24 Estresse Abiótico 747 tas ao estresse abiótico A ampla sobreposição nos diversos conjuntos de genes regulados por hormônios sustenta a existência de complexas redes com interferência significan te entre as diferentes rotas de sinalização de hormônios A ação hormonal sinérgica ou antagônica e a coordenação e a regulação mútua de rotas biossintéticas de hormônios são de grande importância para a capacidade das plantas de aclimatarse às condições de estresse abiótico A auxina por exemplo pode exercer papéis cruciais na aclimatação de plantas às condições de seca O gene TLD1 que codifica uma ácido indol3acético AIAami do sintetase induz a expressão de genes codificadores das proteínas abundantes na embriogênese tardia LEA late embryogenesis abundant que se acumulam durante a ma turação de sementes ver Capítulo 21 e que estão também correlacionados com o aumento da tolerância à seca no arroz O ABA produzido pela seca ou por estresse salino ativa proteases que degradam o transportador de auxina ABCB4 que regula o alongamento de pelos da raiz A ex pressão de vários genes vinculados com a síntese de auxi na transportadores de auxina PIN1 PIN2 PIN4 AUX1 e fatores de transcrição responsivos à auxina ARF2 ARF19 demonstrou ser regulada pelo etileno Inversamente os níveis celulares de auxina influenciam de maneira con siderável a biossíntese do etileno Vários genes codifica dores de ACC ácido 1aminociclopropano1carboxílico sintetase a etapa limitante da taxa da biossíntese do eti leno são regulados pela auxina Ácido giberélico e brassinosteroides são dois hor mônios promotores do crescimento que regulam mui tos dos mesmos processos fisiológicos e podem ligar a regulação do crescimento às respostas ao estresse abiótico Além disso as deficiências de qualquer um dos hormônios ou a insensibilidade a qualquer um deles resultam em fenótipos similares como nanismo germi nação de sementes reduzida e retardo do florescimento Embora o ácido giberélico e os brassinosteroides sejam conhecidos por atuar via mecanismos diferentes fo ram identificados numerosos genes regulados por esses hormônios sugerindo uma sobreposição considerável em suas rotas de sinalização No arroz por exemplo a proteína OsGSR1 um membro da família de genes esti mulados pelo ácido giberélico atua como um regulador positivo da resposta ao ácido giberélico e da biossíntese de brassinosteroides A OsGSR1 portanto parece servir como um elo regulador entre as duas rotas hormonais mediando suas interações O ácido giberélico é conhecido também por interagir com o ácido salicílico A aplicação de ácido giberélico a indivíduos de Arabidopsis provoca um aumento na expres são dos genes envolvidos na síntese e na atuação do ácido salicílico Igualmente ocorrem interações entre citocinina e brassinosteroides Em plantas transgênicas expressando IPT sob o controle de um promotor específico para seca a indução da biossíntese de citocinina pela seca resultou na regulação para cima upregulation de genes associados à síntese e à regulação de brassinosteroides Mecanismos fisiológicos e do desenvolvimento que protegem as plantas contra o estresse abiótico Até agora neste capítulo foram discutidos os diversos tipos de estresse abiótico os mecanismos pelos quais as plantas são sensíveis ao estresse abiótico as rotas de transdução de sinais que convertem sinais de estresse em expressão gênica alterada e o papel das interações hormo nais nas redes de rotas genéticas resultantes Nesta seção A B PSARKIPT Tipo selvagem Figura 2416 Efeitos da seca em indivíduos de tabaco transgê nicos e do tipo selvagem expressando isopentenil transferase uma enzimachave na produção de citocinina sob o controle de PSARK promoter region of SenescenceAssociated Receptor Kinase re gião promotora do receptor quinase associado à senescência um promotor da maturação e induzido pelo estresse A figura apresenta indivíduos do tipo selvagem A e transgênicos B após 15 dias de seca seguidos de 7 dias de reidratação Cortesia de E Blumwald 748 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento são estudados os produtos dos trabalhos de todas essas redes genéticas as alterações metabólicas fisiológicas e anatômicas que são produzidas para se opor aos efeitos do estresse abiótico O surgimento das primeiras plantas no ambiente terrestre ocorreu há mais de 500 milhões de anos Portanto elas tiveram um longo período de desen volvimento de mecanismos para enfrentar os diversos ti pos de estresse abiótico Esses mecanismos abrangem as capacidades de acumular metabólitos e proteínas de pro teção bem como de regular crescimento morfogênese fotossíntese transporte através da membrana aberturas estomáticas e alocação de recursos Os efeitos dessas e de outras mudanças servem para atingir a homeostase celu lar de modo que o ciclo de vida da planta possa ser com pletado sob o novo regime ambiental A seguir são discu tidos alguns dos principais mecanismos de aclimatação Por acumulação de solutos as plantas ajustamse osmoticamente a solos secos O deslocamento através do continuum soloplantaatmos fera só é possível se o potencial hídrico decrescer ao longo desse trajeto ver Capítulos 3 e 4 Lembrar do Capítulo 3 Ψ ΨS ΨP onde Ψ potencial hídrico ΨS potencial osmótico e ΨP potencial de pressão turgor Quando o potencial hídrico da rizosfera o microambiente que en volve a raiz decresce devido ao déficit hídrico ou à salini dade as plantas continuam a absorver água desde que Ψ seja mais baixo mais negativo do na água do solo Ajuste osmótico é a capacidade das células vegetais de acumu lar solutos e usálos para baixar Ψ durante períodos de estresse osmótico O ajuste envolve um aumento líquido do conteúdo de solutos por célula que independe das mu danças de volume resultantes da perda de água Figura 2417 O decréscimo de ΨS em geral é limitado a cerca de 02 a 08 MPa exceto em plantas adaptadas a condições extremamente secas Existem duas maneiras principais pelas quais o ajus te osmótico pode ocorrer uma envolvendo o vacúolo e a outra o citosol Uma planta pode absorver íons do solo ou transportar íons de outros órgãos da planta para a raiz de modo que a concentração de solutos das células desse órgão aumenta Por exemplo o aumento da absorção e da acumu lação de potássio provocará decréscimos no ΨS devido ao efeito dos íons potássio na pressão osmótica dentro da cé lula Essa resposta é comum em plantas crescendo em solos salinos onde íons como potássio e cálcio estão prontamen te disponíveis para elas A absorção de K e outros cátions deve ser eletricamente equilibrada pela absorção de ânions inorgânicos como Cl ou pela produção e acumulação va cuolar de ácidos orgânicos como o malato ou o citrato No entanto existe um problema potencial quando íons são utilizados para diminuir ΨS Alguns íons como sódio ou cloreto em concentrações baixas são essenciais ao cres cimento vegetal mas concentrações mais altas podem ter um efeito nocivo sobre o metabolismo celular Outros íons como potássio são necessários em quantidades maiores mas em concentrações altas podem ter um efeito nocivo sobre a planta em geral pela ruptura de membranas ou proteínas celulares A acumulação de íons durante o ajuste osmótico é predominantemente restrita aos vacúolos onde eles são impedidos de contato com enzimas citosólicas ou organelas Por exemplo muitas halófitas plantas adapta das à salinidade usam a compartimentalização de Na e Cl para facilitar o ajuste osmótico que sustenta ou intensi fica o crescimento em ambientes salinos Quando a concentração iônica aumenta no vacúo lo outros solutos devem se acumular no citosol a fim de manter o equilíbrio do potencial hídrico entre os dois compartimentos Esses solutos são denominados solutos compatíveis osmólitos compatíveis Solutos compatí Ψ do citosol de 08 MPa Ψ do vacúolo de 08 MPa A Ψ externo de 06 MPa Na K K Cl Cl Ψ do vacúolo de 09 MPa B Ψ externo de 08 MPa Na Na Na Na K K K K K Cl Cl Cl Cl Cl H2O Glicina betaína Prolina Ψ do citosol de 09 MPa Figura 2417 Ajustes de solutos durante o estresse osmótico O po tencial hídrico do citosol e do vacúolo deve ser levemente mais baixo que o do ambiente circundante para manter um gradiente de potencial hídrico que permita a absorção de água A Célula com um potencial hídrico externo de 06 MPa O equilíbrio é mantido no interior da célula pela acumulação de íons no vacúolo e no citosol B Célula com um po tencial hídrico externo de 08 MPa devido à salinidade à seca ou a ou tros estresses por desidratação A célula pode realizar o ajuste osmótico aumentando a concentração de solutos no vacúolo e no citosol Os íons inorgânicos usados para o ajuste osmótico em geral são armazenados no vacúolo onde não podem afetar processos metabólicos no citosol O equilíbrio no citosol é mantido com solutos compatíveis em geral não carregados como prolina e glicina betaína Capítulo 24 Estresse Abiótico 749 veis são compostos orgânicos osmoticamente ativos nas células mas em concentrações altas não desestabilizam a membrana nem interferem no funcionamento enzimático como o fazem os íons As células vegetais toleram con centrações altas desses compostos sem efeitos prejudiciais ao metabolismo Os solutos compatíveis comuns incluem aminoácidos como a prolina açúcaresalcoóis como o sor bitol e compostos quaternários de amônio como a glici na betaína Figura 2418 Alguns desses solutos como a prolina também parecem ter uma função osmoprotetora protegendo as plantas de subprodutos tóxicos formados durante períodos de escassez de água e proporcionando uma fonte de carbono e nitrogênio para a célula quando as condições retornam ao normal Cada família vegetal tende a usar um ou dois solutos compatíveis preferencialmente a outros A síntese de solutos compatíveis necessita de ener gia pois é um processo metabólico ativo A quantidade de carbono utilizada para a síntese desses solutos orgânicos pode ser um tanto grande razão pela qual tal síntese ten de a reduzir a produtividade da cultura Os órgãos submersos desenvolvem um aerênquima em resposta à hipoxia Agora retornase aos mecanismos usados pelas plantas para suportar água em demasia Na maioria das plantas de ambientes inundados exemplificada pelo arroz e em muitas plantas bem aclimatadas às condições úmidas o caule e as raízes desenvolvem canais interconectados lon gitudinalmente preenchidos de gases que proporcionam uma rota de baixa resistência ao movimento do oxigênio e de outros gases Os gases ar penetram pelos estôma tos ou pelas lenticelas regiões abertas da periderme que permitem o intercâmbio gasoso localizadas em caules e raízes lenhosos eles se deslocam por difusão molecular ou por convecção impulsionada por pequenos gradientes de pressão Em muitas plantas adaptadas a terras úmidas wetland ambientes inundados as células das raízes são separadas por espaços proeminentes preenchidos de ga ses que formam um tecido denominado aerênquima Es sas células se desenvolvem nas raízes de plantas de terras úmidas independentemente de estímulos ambientais Em algumas monocotiledôneas e eudicotiledôneas não ocor rentes em terras úmidas no entanto a deficiência de O2 induz a formação de aerênquima na base do caule e em raízes em desenvolvimento recente Um exemplo de aerênquima induzido encontrase no milho Zea mays Figura 2419 A hipoxia estimula a ati vidade de ACCsintase e ACCoxidase nos ápices de raízes do milho e provoca aceleração na produção de ACC e eti leno O etileno desencadeia a MCP e a desintegração de células no córtex da raiz Os espaços anteriormente ocu pados por essas células propiciam os vazios preenchidos de gases que facilitam o movimento de O2 A morte celular desencadeada pelo etileno é altamente seletiva apenas al gumas células têm o potencial de iniciar o programa de desenvolvimento que gera o aerênquima Quando a formação de aerênquima é induzida uma elevação na concentração citosólica de Ca2 é considerada parte da rota de transdução de sinal do etileno que leva à morte celular Os sinais que elevam a concentração citosó lica de Ca2 podem promover morte celular na ausência de hipoxia Inversamente os sinais que diminuem a concen tração citosólica de Ca2 bloqueiam a morte celular em raí zes hipóxicas que normalmente formariam aerênquima Alguns tecidos podem tolerar condições anaeróbicas em solos alagados por um período prolongado semanas ou meses antes de desenvolver aerênquima Podem ser citados como exemplos o embrião e o coleóptilo do arroz Oryza sa tiva e do capimarroz Echinochloa crusgalli var oryzicola bem como os rizomas caules subterrâneos horizontais do juncogigante Schoenoplectus lacustris do juncodemaris ma Scirpus maritimus e da taboadefolhaestreita Typha angustifolia Esses rizomas podem sobreviver por vários me ses e expandir suas folhas sob condições anaeróbicas Na natureza esses rizomas hibernam na lama anae róbica das margens de lagos Na primavera com as folhas já expandidas acima da lama ou da superfície da água através do aerênquima o O2 difundese para baixo em direção ao rizoma O metabolismo então passa de um processo anaeróbico fermentativo para um processo ae róbico e as raízes começam a crescer usando o oxigênio disponível Da mesma maneira durante a germinação do arroz irrigado e do capimarroz o coleóptilo emerge e tor nase uma rota de difusão de O2 para as partes submersas da planta incluindo as raízes Embora o arroz seja uma espécie de terras úmidas suas raízes são tão intolerantes à anoxia como o são as raízes do milho À medida que a raiz penetra no solo deficiente de O2 a formação contínua de aerênquima subapical permite o movimento desse gás no interior da raiz para suprir a zona apical Prolina Sorbitol Glicina betaína 3dimetil sulfônio propionato DMSP Aminoácidos Açúcaresalcoóis Compostos quaternários de amônio QACs Compostos terciários de sulfônio TSCs C HOCH2 H OH C OH H C H OH C CH2OH H OH N CH3 CH2 CH3 CH3 COO H H COOH N C CH2 CH2 C S CH3 CH2 CH3 CH2 COO Figura 2418 Quatro grupos de moléculas frequentemente servem como solutos compatíveis aminoácidos açúcaresalcoóis compostos quaternários de amônio e compostos terciários de sulfô nio Observe que esses compostos são pequenos e não têm carga líquida 750 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento Em raízes de arroz e de outras plantas típicas de ter ras úmidas as barreiras estruturais compostas de paredes celulares suberizadas e lignificadas impedem a difusão do O2 para fora em direção ao solo Assim o O2 retido supre o meristema apical e permite que o crescimento se esten da por 50 cm ou mais em direção ao solo anaeróbico Por outro lado as raízes de espécies de ambientes não úmi dos como o milho permitem a saída do O2 O O2 interno tornase insuficiente para a respiração aeróbica nos ápices das raízes dessas plantas e essa carência limita substan cialmente a profundidade que esses órgãos podem alcan çar no solo anaeróbico Antioxidantes e rotas de inativação de espécies reativas de oxigênio protegem as células do estresse oxidativo As EROs acumulamse nas células durante muitos tipos diferentes de estresses ambientais Elas são destoxificadas por enzimas especializadas e antioxidantes um processo referido como inativação de EROs Os antioxidantes bio lógicos são compostos orgânicos pequenos ou peptídeos pequenos que podem aceitar elétrons de EROs como supe róxido ou H2O2 e neutralizálos Os antioxidantes comuns em plantas abrangem o ascorbato hidrossolúvel vitamina C e o tripeptídeo glutationa reduzida GSH na forma redu zida GSSG na forma oxidada e αtocoferol vitamina E e βcaroteno vitamina A lipossolúveis Para manter um for necimento adequado desses compostos no estado reduzido as células dependem de diversas redutases como glutatio naredutase desidroascorbatoredutase e monodesidroas corbatoredutase que usam o poder redutor de NADH ou NADPH produzidos pela respiração ou fotossíntese Algumas EROs podem reagir de maneira espontâ nea com antioxidantes celulares e algumas são instáveis e apresentam decaimento antes de causar dano celular Contudo as plantas desenvolveram várias enzimas an tioxidativas diferentes que aumentam drasticamente a eficiência desses processos Por exemplo a superóxido dismutase é uma enzima que simultaneamente oxida e reduz o ânion superóxido para produzir peróxido de hi drogênio e oxigênio de acordo com a reação O2 2 H O2 H2O2 Variantes da superóxidodismutase são encontradas em cloroplastos peroxissomos mitocôn drias citosol e apoplasto Formas diferentes de ascorbato peroxidase estão presentes nos mesmos compartimen tos celulares como superóxido dismutase A ascorbato peroxidase catalisa a destruição de peróxido de hidrogê nio usando ácido ascórbico como um agente redutor na seguinte reação 2 Lascorbato H2O2 2 H 2 mo nodesidroascorbato 2 H2O A catalase catalisa a desto xificação de peróxido de hidrogênio em água e oxigênio nos peroxissomos de acordo com a reação 2 H2O2 2 H2O O2 Formas reduzidas de peroxirredoxinas Prx reduzem peróxido de hidrogênio e são elas próprias rer reduzidas por tiorredoxina Trx de acordo com as rea ções acopladas Prxreduzida H2O2 Prxoxidada 2 H2O e Prxoxidada Trxreduzida Prxreduzida Trxoxidada Por fim a glutationa peroxidase catalisa a destoxificação de peróxido de hidrogênio usando gluta A B X En En gs gs En En PC PC X Ep Ep X Ep Ep Figura 2419 Imagens de cortes transversais de raízes de mi lho ao microscópio eletrônico de varredura 150x mostrando mu danças na estrutura com o fornecimento de O2 A Raizcontrole suprida de ar com células corticais intactas B Raiz deficiente de O2 cultivada em uma solução nutritiva sem aeração Observe os espaços proeminentes preenchidos de gases gs gasfilled spaces no parênquima cortical PC formados pela degeneração de células O estelo todas as células internas à endoderme En e a epiderme Ep permanecem intactos X xilema Cortesia de J L Basq e M C Drew Capítulo 24 Estresse Abiótico 751 tiona reduzida GSH como um agente redutor H2O2 2 GSH GSSG 2 H2O As enzimas e os antioxidantes de destoxificação de EROs funcionam nas células como uma rede sustentada por diversos sistemas de reciclagem de antioxidantes que reabastecem o nível de antioxidantes reduzidos Figura 2420 Essa rede de inativação de EROs mantém um nível seguro delas nas células permitindo ao mesmo tempo que a célula as use para reações de transdução de sinal Chaperonas moleculares e protetores moleculares protegem proteínas e membranas durante o estresse abiótico A estrutura proteica é sensível ao distúrbio por mudanças na temperatura no pH ou na força iônica associadas com diferentes tipos de estresse abiótico As plantas possuem vários mecanismos para limitar ou evitar esses problemas incluindo ajuste osmótico para a manutenção da hidrata ção bombas de prótons para manter a homeostase do pH e proteínas chaperonas moleculares Estas interagem fisicamente com outras proteínas para facilitar o dobra mento proteico reduzir o dobramento errôneo estabilizar a estrutura terciária e impedir a agregação ou a desagre gação Um conjunto único de chaperonas chamadas de proteínas de choque térmico HSPs heat shock proteins é sintetizado em resposta a diversos estresses ambientais As células que sintetizam HSPs em resposta ao estresse pelo calor exibem melhora da tolerância térmica e podem tolerar exposições subsequentes a temperaturas mais altas que de outro modo seriam letais As HSPs são induzidas por condições ambientais muito diferentes abrangendo déficit hídrico lesão temperatura baixa e salinidade Des sa maneira as células que sofreram um estresse podem adquirir proteção cruzada contra outro estresse As HSPs foram descobertas na moscadasfrutas Drosophila melanogaster e parecem ser ubíquas em plan tas animais fungos e microrganismos A resposta ao cho que térmico parece ser mediada por uma ou mais rotas de transdução de sinal uma das quais envolve um conjunto específico de fatores de transcrição denominados fatores de choque térmico que regulam a transcrição de mRNAs de HSP Existem várias classes diferentes de HSPs in cluindo HSP70s que se ligam a proteínas com dobramento errôneo e as liberam HSP60s que produzem complexos enormes em forma de barril que são usados como câ maras para dobramento proteico HSP101s que medeiam 2O2 O2 O2 O2 1O2 O3 H2O H2O2 2H2O H2O H2O 2 GSH GSSG O2 CH2OH CHOH O O O OH 2H2O NADPH NADPH NADP NADP H 2O2 2 O2 HO2 HO2 HO Reação de Mehler Superóxido dismutase Vitamina E e carotenoides Reações redox de transporte de elétrons Catalase Ascorbato peroxidase Peroxirredoxina S S Peroxirredoxina SH SH Tiorredoxina 1 2 H CH2OH CHOH O O O OH H CH2OH CHOH O O O O H Espontâneo Ascorbato Radical monode sidroascorbato 2 HO 2 Glutationa redutase Desidroas corbato redutase Desidroascorbato Espontâneo Monodesidroascorbato redutase Figura 2420 Rotas biossintéticas antioxidantes que regulam os níveis de espécies reativas de oxigênio EROs na célula A superó xido dismutase converte radicais superóxido em peróxido de hidro gênio H2O2 que é decomposto em H2O e O2 pela catalase H2O2 também pode ser reduzido a água pela ascorbato peroxidase o íon hidroxila e o oxigênio singleto podem ser consumidos pela rota da glutationa indicada pelo fundo colorido De Jones et al 2013 752 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento a desagregação de agregados proteicos além de sHSPs e outras HSPs que ligam e estabilizam diferentes complexos e membranas Figura 2421 Várias outras proteínas que atuam de uma maneira semelhante na estabilização de proteínas e membranas durante a desidratação os extremos de temperatura e o desequilíbrio iônico têm sido identificadas Entre elas está a família proteica LEADHNRAB As proteínas LEA Late Embriogenesis Abundant acumulamse em resposta à desi dratação durante os estágios tardios da maturação das se mentes A maioria das proteínas LEA pertence a um grupo mais propagado de proteínas denominadas hidrofilinas As hidrofilinas têm uma forte atração por água dobram se em αhélices sob dessecação e possuem a capacidade de reduzir a agregação de proteínas sensíveis à desidra tação uma propriedade chamada de proteção molecular molecular shielding As DHNs deidrinas dehydrins acumulamse nos tecidos vegetais em resposta a uma di versidade de estresses abióticos incluindo salinidade de sidratação frio e estresse por congelamento As DHNs como as proteínas LEA são proteí nas altamente hidrofílicas e intrinsecamente desordenadas Sua capacidade de servir como protetores moleculares e como criptoprote tores tem sido atribuída à sua flexibilidade e estrutura secundária mínima Por serem com frequência induzidas pelo ABA LEAs e DHNs são às vezes referidas como RABs res ponsivas ao ABA As plantas podem alterar seus lipídeos de membrana em resposta à temperatura e a outros estresses abióticos À medida que as temperaturas caem as membranas po dem passar por uma fase de transição de uma estrutura flexível líquidacristalina para uma estrutura sólida de gel A temperatura da fase de transição varia em função da composição lipídica das membranas As plantas resis tentes ao resfriamento tendem a ter membranas com mais ácidos graxos insaturados que aumentam sua fluidez ao passo que as sensíveis ao resfriamento possuem uma por centagem alta de cadeias de ácidos graxos saturados que tendem a solidificar em temperaturas baixas Em geral os ácidos graxos que não têm ligações duplas solidificam em temperaturas mais altas do que os lipídeos que con têm ácidos graxos poliinsaturados porque os últimos têm dobras em suas cadeias de hidrocarbonetos e não se dis põem tão compactamente como os ácidos graxos satura dos Tabela 243 ver também Capítulo 1 ATP ADP ATP ADP ATP ADP ATP ADP 5 3 Ribossomo Síntese proteica Proteína nascente Chaperona HSP70 HSP60 Estresse Estresse Dobramento Dobramento Conformação normal Dobramento Conformação normal Proteínas desnaturadas Proteínas agregadas HSP101 Desagregação HSP70 sHSPs HSP31 HSP33 Figura 2421 Rede de chaperonas moleculares nas células As proteínas nascentes que requerem a assistência de chaperonas moleculares para atingir a conformação própria estão associadas às chaperonas HSP70 parte superior As proteínas nativas que passam por desnaturação durante o estresse à di reita associamse às chaperonas HSP70 e HSP60 parte inferior à direita Se fo rem formados agregados parte central à esquerda eles são desagregados por HSP101 e HSP70 à esquerda Chapero nas adicionais relacionadas ao estresse como HSP31 HSP33 e sHSPs podem também se associar a proteínas desna turadas durante o estresse De Baneyx e Mujacic 2004 Capítulo 24 Estresse Abiótico 753 A exposição prolongada a temperaturas extremas pode alterar a composição de lipídeos de membrana o que é uma forma de aclimatação Certas enzimas transmem brana podem alterar a saturação lipídica mediante intro dução de uma ou mais ligações duplas nos ácidos graxos Por exemplo durante a aclimatação ao frio as atividades de enzimas dessaturases aumentam e a proporção de lipídeos insaturados sobe Essa modificação abaixa a tem peratura na qual os lipídeos de membrana começam uma mudança gradual de fase passando de uma forma fluida para uma semicristalina Isso permite que as membranas permaneçam fluidas sob temperaturas mais baixas pro tegendo assim a planta contra danos do resfriamento Inversamente um grau maior de saturação dos ácidos graxos nos lipídeos de membrana torna as membranas menos fluidas Certos mutantes de Arabidopsis têm ativi dade reduzida das dessaturases de ácidos graxos ômega 3 Esses mutantes mostram crescimento da termotolerância da fotossíntese presumivelmente por causa do aumento do grau de saturação de lipídeos dos cloroplastos Mecanismos de exclusão e de tolerância interna permitem que as plantas suportem íons tóxicos Dois mecanismos básicos são empregados pelas plan tas para tolerar a presença de concentrações altas de íons tóxicos no ambiente incluindo sódio Na arsênico As cádmio Cd cobre Cu níquel Ni zinco Zn e selênio Se exclusão e tolerância interna A exclusão referese à capacidade de bloquear o ingresso de íons tóxicos na cé lula impedindo assim que suas concentrações alcancem um nível de limiar tóxico A tolerância interna em geral envolve adaptações bioquímicas que capacitam a planta a tolerar compartimentalizar ou quelar concentrações altas de íons potencialmente tóxicos Glicófitas são plantas tolerantes ao sal que geralmen te dependem de mecanismos de exclusão para se prote ger de níveis moderados de salinidade no solo Elas são capazes de tolerar níveis moderados de salinidade devido aos mecanismos na raiz que reduzem a absorção de íons potencialmente prejudiciais ou bombeiam de maneira ativa esses íons de volta ao solo Os íons cálcio exercem um papelchave na minimização da absorção de íons Na do meio externo Como um íon carregado Na tem uma permeabilidade muito baixa através da bicamada lipídica mas pode atravessar a membrana plasmática por ambos os sistemas de transporte de afinidade baixa e afinida de alta muitos dos quais em geral transportam K para dentro das células da raiz O Ca2 externo em concen trações milimolares concentração fisiológica normal de Ca2 no apoplasto aumenta a seletividade dos transpor tadores de K e minimize a absorção de Na Diferentes transportadores de NaH do tipo antiporte na membra na plasmática e no tonoplasto também abaixam o nível citosólico do sódio bombeandoo ativamente de volta ao apoplasto ou para dentro do vacúolo A energia usa da para acionar esses processos é fornecida por diferen tes ATPases de bombeamento de H localizadas nessas membranas Figura 2422 Ao contrário das glicófitas as halófitas podem tolerar níveis elevados de Na na parte aérea pois elas têm uma capacidade maior de sequestro vacuolar de íons em suas células foliares Além disso as halófitas parecem ter uma capacidade maior de restringir o ingresso líquido de Na nas células foliares Como consequência desse aumento da compartimentalização vacuolar e redução da absorção celular de Na nas partes aéreas as halófitas têm aumento de sua capacidade de sustentar um crescimento do fluxo de Na das raízes para a corrente transpiratória Um exemplo extremo de tolerância interna a íons tóxicos é a hiperacumulação de certos elementostraço que se verifica em um número limitado de espécies As plantas hiperacumuladoras podem tolerar concentra TABELA 243 Composição dos ácidos graxos de mitocôndrias isoladas de espécies resistentes e de espécies sensíveis ao resfriamento Ácidos graxos principaisa Peso percentual do conteúdo total de ácidos graxos Espécies resistentes ao resfriamento Espécies sensíveis ao resfriamento Gema da couveflor Raiz do nabo Parte aérea da ervilha Parte aérea do feijoeiro Batatadoce Parte aérea do milho Palmítico 160 213 190 178 240 249 283 Esteárico 180 19 11 29 22 26 16 Oleico 181 70 122 31 38 06 46 Linoleico 182 161 206 619 436 508 546 Linolênico 183 494 449 132 243 106 68 Razão entre ácidos graxos insaturados e saturados 32 39 38 28 17 21 Fonte De Lyons et al 1964 aEntre parênteses são mostrados o número de átomos de carbono na cadeia de ácidos graxos e o número de ligações duplas 754 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento ções foliares de diversos elementostraço como arsêni co cádmio níquel zinco e selênio de até 1 da massa seca de sua parte aérea 10 mg por grama de massa seca A hiperacumulação é uma adaptação vegetal relativa mente rara a íons potencialmente tóxicos Essa adapta ção requer mudanças genéticas herdáveis que acentuam a expressão dos transportadores iônicos envolvidos na absorção e na compartimentalização vacuolar desses íons As fitoquelatinas e outros queladores contribuem para a tolerância interna de íons de metais tóxicos Quelação é a ligação de um íon dotado de pelo menos dois átomos ligantes com uma molécula quelante As molécu las quelantes podem ter diferentes átomos disponíveis para ligação como enxofre S nitrogênio N ou oxigênio O os quais têm afinidades distintas para os íons que quelam Por envolvimento ao redor do íon que ela liga para formar um complexo a molécula quelante cede o íon menos ativo quimicamente reduzindo assim sua toxicidade potencial O complexo então geralmente é translocado para outras partes da planta ou armazenado longe do citoplasma tipi camente no vacúolo O transporte por longa distância de íons quelados das raízes para as partes aéreas é também um processo crucial para a hiperacumulação de metais em tecidos da parte aérea Tanto a nicotianamina quelador de ferro quanto a histidina livre aminoácido têm sido envol vidas na quelação de metais durante esse processo de trans porte Além disso as plantas sintetizam também outros li gantes para a quelação de íons como as fitoquelatinas As fitoquelatinas são tiois de baixo peso molecular que consistem nos aminoácidos glutamato cisteína e gli cina com a forma geral de γGluCysnGly Elas são sin tetizadas pela enzima fitoquelatina sintase Os grupos tiol atuam como ligantes para íons de elementostraço tais como cádmio e arsênio Figura 2423 Uma vez forma do o complexo fitoquelatinametal é transportado para o interior do vacúolo para armazenamento A síntese de fi toquelatinas tem sido demonstrada como necessária para a resistência ao cádmio e ao arsênio Além da quelação o transporte ativo de íons metálicos para dentro do vacúolo e para fora da célula também contribui para a tolerância interna ao metal As plantas usam moléculas crioprotetoras e proteínas anticongelamento para impedir a formação de cristais de gelo Durante o congelamento rápido o protoplasto incluindo o vacúolo pode superresfriar isso significa que a água celular pode permanecer líquida mesmo em temperaturas vários graus abaixo de seu ponto de congelamento teórico O superresfriamento é comum em muitas espécies das florestas de angiospermas arbóreas do sudeste do Canadá e do leste dos Estados Unidos As células podem super resfriar somente até cerca de 40oC temperatura na qual o gelo se forma espontaneamente A formação espontâ nea de gelo estabelece o limite de temperatura baixa no qual muitas espécies alpinas e subárticas passam por super resfriamento profundo para poder sobreviver Isso pode explicar também por que a altitude da linha das árvores H H Na H H Na SOS1 Apoplasto pH 55 Citosol pH 70 Vacúolo pH 55 Na Na ATP H H ADP ATP H H ADP PPiase NHX1 H H Pi PPi 2 1 3 2 γglutamato Cisteína Ligantes tiois de ligação metálica Cisteína Glutationa Glicina γglutamato O OH H2N O SH O O O N H O OH OH H N SH O N H H N Figura 2422 Transporte ativo primário e secundário A ATPase de bombeamento de H localizada na membrana plasmática ATPa se do tipo P 1 bem como a ATPase de bombeamento de H loca lizada no tonoplasto ATPase do tipo V 2 e a pirofosfatase PPia se 3 são sistemas de transporte ativos primários que energizam a membrana plasmática e o tonoplasto respectivamente Mediante acoplamento da energia liberada pela hidrólise de ATP ou pirofosfa to essas bombas são capazes de transportar H através da membra na plasmática ou do tonoplasto contra um gradiente eletroquímico SOS1 e NHX1 transportadores de HNa do tipo antiporte são sistemas de transporte ativos secundários que acoplam o transporte de Na contra seu gradiente eletroquímico com o de H abaixo de seu gradiente eletroquímico SOS1 transporta Na para fora da célu la enquanto NHX1 transporta Na para dentro do vacúolo Figura 2423 Estrutura molecular da fitoquelatina quelato de metais A fitoquelatina usa o enxofre da cisteína para ligarse a me tais como cádmio zinco e arsênico Capítulo 24 Estresse Abiótico 755 em faixas de montanhas está em torno da isoterma míni ma de 40oC Várias proteínas vegetais especializadas denominadas proteínas anticongelamento limitam o crescimento de cristais de gelo por meio de um mecanismo independente do abaixamento do ponto de congelamento da água A sín tese dessas proteínas é induzida pelas temperaturas baixas As proteínas ligamse às superfícies de cristais de gelo para impedir ou retardar o crescimento deles Açúcares polissa carídeos solutos osmoprotetores DHNs e outras proteínas induzidas pelo frio também têm efeitos crioprotetores A sinalização do ácido abscísico durante o estresse hídrico causa o grande efluxo de K e ânions provenientes das célulasguarda Conforme discutido anteriormente os hormônios exercem um importante papel na sinalização em várias respostas de plantas ao estresse Durante o estresse hídrico o ABA aumenta de maneira acentuada nas folhas o que leva ao fechamento estomático Figura 2424 Fisiologicamente o fechamento é efetuado por uma redução na pressão de tur gor que segue o grande efluxo de K e ânions provenientes das célulasguarda A ativação de canais especializados de efluxo iônico na membrana plasmática é necessária para a ocorrência dessa perda de K e ânions em grande escala a partir das célulasguarda Como o ABA realiza isso Os canais de efluxo de K na membrana plasmática possuem portões controlados por voltagem ver Capítulo 6 ou seja eles abrem somente se a membrana plasmática se tornar despolarizada O ABA provoca despolarização da membrana por elevação do cálcio citosólico de duas maneiras 1 pelo desencadeamento de uma entrada transitória de íons Ca2 e 2 pela promoção da liberação de Ca2 das reservas internas como o retículo endoplasmático e o vacúolo Como consequência a concentração do cálcio citosólico sobe de 50 a 350 nM para 1100 nM 11 μM Figura 2425 Após esse aumento no cálcio citosólico abre os canais de ânions ativados pelo cálcio na membrana plas mática A abertura prolongada de canais de ânions permite que escapem da célula grandes quantidades de Cl e malato2 deslocando para baixo seus gradientes eletroquímicos Esse flu xo para fora de íons Cl e malato2 despolariza a membrana desencadeando a abertura dos canais de efluxo de K com portões controla dos por voltagem Os níveis elevados de cálcio citosólico também causam o fechamento dos canais de entrada de K reforçando o efeito da despolarização Além do aumento do cálcio citosólico o ABA causa a alcalinização do citosol de pH 77 para pH 79 Tem sido demonstrado que a ele vação do pH citosólico estimula a abertura dos canais de efluxo de K O ABA também inibe a atividade da HATPase na membrana plasmática resultando adi cionalmente na despolarização da membrana A inibição 0 70 35 20 08 16 Resistência estomática s cm1 Potencial hídrico da folha MPa 2 0 4 6 8 0 0 Tempo dias 4 8 ABA ng cm2 O potencial hídrico diminui à medida que o solo seca Fornecimento de água Retenção de água A resistência estomática diminui Conteúdo de ABA Figura 2424 Alterações no potencial hídrico na resistência es tomática o inverso da condutância estomática e no conteúdo de ABA na folha do milho em resposta ao estresse hídrico À medida que o solo seca o potencial hídrico da folha diminui e o conteúdo de ABA e a resistência estomática aumentam A reidratação reverte o processo De Beardsell e Cohen 1975 Tamanho da abertura estomática 8 9 10 11 12 13 105 104 103 Abertura estomática μm Ca 2 citosólico mol m3 ABA ABA 0 5 10 15 20 Tempo min Concentração do Ca2 citosólico após a adição do ABA Controle Figura 2425 Acompanhamento temporal do aumento da concentração do Ca2 citosólico induzido pelo ABA nas célulasguarda painel superior e da abertura estomática induzida pelo ABA painel inferior O aumento do Ca2 começa cerca de 3 minutos após a adição de ABA seguido por um decréscimo constante no tamanho da abertura estomática nos cinco minutos adicionais De McAinsh et al 1990 756 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento pelo ABA da bomba de prótons na membrana plasmática aparentemente é causada pela combinação da concentra ção elevada do Ca2 citosólico e a alcalinização do citosol Durante o fechamento estomático a área de super fície da membrana plasmática das célulasguarda pode contrairse em 50 Para onde vai a membrana extra Presumese que ela seja absorvida como pequenas vesí culas por endocitose um processo que também envolve a reorganização do citoesqueleto de actina induzida pelo ABA e mediada por uma família de Rho GTPases vegetais ou ROPs de Rho GTPases em Plantas A transdução de sinal nas célulasguarda com seus múltiplos estímulos sensoriais envolve proteínas quina se e fosfatase Por exemplo as atividades das HATPases que acionam o potencial de membrana das célulasguarda são reduzidas por diversas proteínas quinase As proteínas fosfatase têm sido igualmente envolvidas na modificação de atividades específicas das HATPases provocando mudanças nas atividades de canais de ânions Em vista desses resultados parece que a fosforilação e a desfosfo rilação de proteínas desempenham um importante papel na rota de transdução de sinal do ABA nas célulasguarda Um modelo geral e simplificado da ação do ABA nas célu lasguarda é apresentado na Figura 2426 RCAR PYRPYL PP2Cs OST1 OST1 Aumento do pH CPKs H2O2 O2 ABA ABA EROs RCAR PYRPYL PP2Cs ABA ABA ATP H H ADP 7 1 2 3 6 5 4 Ca2 Ca2 1 2 Ca2 Ca2 Ca2 A Tipo S Tipo R A A A Pi K K K K fora K K K dentro Vacúolo Promoção do efluxo iônico Inibição da entrada iônico RBOH 1 O ácido abscísico ABA ligase a seus receptores citosólicos RCARPYRPYL ver Capítulo 15 2 Os receptores ligados ao ABA formam um complexo com proteínas fosfatase do tipo 2C PP2Cs inibindo sua atividade As PP2Cs representam um regulador negativo importante no interior da rede de sinalização 3 A inibição da atividade das PP2Cs libera da inibição a quinase reguladora negativa OST1 resultando na fosforilação e na ativação de NADPHoxidases RBOHs As RBOHs catalisam a formação de espécies reativas de oxigênio EROs apoplásticas como H2O2 e O2 que desencadeiam a abertura dos canais iônicos da membrana plasmática permeáveis ao Ca2 O Ca2 penetra na célula 4 A elevação do Ca2 citosólico resultante aumentada pela liberação de Ca2 armazenado em organelas incluindo o vacúolo leva à ativação de proteínas quinase dependentes de cálcio CPKs As CPKs também ativam as proteínas RBOH promovendo além disso o entrada de Ca2 no citosol 5 OST1 e CPKs fosforilam e desse modo ativam os canais de ânions na membrana plasmática levando ao efluxo de ânions A Na ausência de ABA esse processo pode ser inibido diretamente pelas PP2Cs Dois tipos de canais de ânions são ativados lento tipo S S de slow e rápido tipo R R de rapid 6 O efluxo de ânions leva à despolarização da membrana plasmática que aciona o efluxo de K via canais retificadores de saída de potássio Kfora A maior parte de A e K em uma célula vegetal é depositada no vacúolo e liberada para o citosol via canais de K ativados por Ca2 e transportadores da liberação de ânions presentes no tonoplasto O efluxo de íons A e K reduz a pressão de turgor das célulasguarda resultando no fechamento estomático 7 A inibição da PP2C pelo ABA e RCARPYRPYL também leva à inibição de canais da membrana plasmática que medeiam a acumulação de íons durante a abertura estomática como HATPases e canais retificadores de entrada de K Kdentro Do contrário esses canais neutralizariam os efeitos do efluxo de íons que promove o fechamento Figura 2426 Modelo simplificado da sinalização do ABA em célulasguarda O efeito líquido é a perda de potássio K e seu ânion Cl ou malato2 da célula EROs espécies reativas de oxigê nio CPK proteína quinase dependente de Ca2 OST1 proteína qui nase da abertura estomática1 OPEN STOMATAL1 PP2C proteína fosfatase 2C de proteinphosphatase 2C RBOH homóloga da oxi dase de queima respiratória uma NADPHoxidase De Benjamin Brandt e J Schroeder não publicado Capítulo 24 Estresse Abiótico 757 As plantas podem alterar sua morfologia em resposta ao estresse abiótico Em resposta ao estresse abiótico as plantas podem ativar programas de desenvolvimento que alteram seu fenótipo um fenômeno conhecido como plasticidade fenotípica Essa plasticidade pode resultar em mudanças anatômicas adaptativas que capacitam as plantas a evitar alguns dos efeitos prejudiciais do estresse abiótico Um exemplo importante de plasticidade fenotípica é a capacidade de alterar a forma foliar Como coletores so lares biológicos as folhas devem ser expostas à luz solar e ao ar o que as torna vulneráveis aos extremos ambientais Assim as plantas desenvolveram a capacidade de modifi car a morfologia foliar de modo a permitirlhes evitar ou mitigar os efeitos de extremos abióticos Tais mecanismos incluem mudanças na área foliar orientação foliar enro lamento foliar tricomas e cutículas cerosas conforme a descrição geral a seguir ÁREA FOLIAR As folhas grandes e planas proporcio nam superfícies ótimas para a produção de fotossintatos Porém elas podem ser prejudiciais ao crescimento e à so brevivência de culturas agrícolas sob condições estressan tes pois expõem uma ampla área de superfície para a eva poração de água que pode levar ao rápido esgotamento da água do solo ou absorção excessiva e danosa de energia solar As plantas podem reduzir sua área foliar por dimi nuição da divisão e expansão das células foliares alteração das formas foliares Figura 2427A e iniciação da senes cência e abscisão das folhas Figura 2427B Esse fenôme no pode conduzir a certos tipos de heterofilia como em plantas aquáticas Ensaio 241 na internet B A Estresse hídrico moderado Estresse hídrico severo Bem hidratada C Figura 2427 Alterações morfológicas em resposta ao estresse abiótico A A alteração da forma da folha pode ocorrer em res posta a mudanças ambientais A folha de carvalho Quercus sp à esquerda provém da parte externa do dossel onde as temperaturas são mais altas que no seu interior A folha à direita provém do inte rior do dossel A forma profundamente lobada à esquerda resulta em uma camada limítrofe mais baixa que permite um melhor res friamento evaporativo B As folhas do algodoeiro Gossypium hir sutum jovem caem em resposta ao estresse hídrico As plantas à es querda foram hidratadas durante todo o experimento as do centro e à direita foram submetidas a estresses moderado e severo respec tivamente antes de serem novamente hidratadas Apenas um tufo de folhas é mantido nos topos dos caules das plantas severamente estressadas C Movimentos foliares na soja em resposta ao estres se osmótico Orientação dos folíolos de indivíduos da soja Glycine max em situação bem hidratada não estressada durante estresse hídrico moderado e durante estresse hídrico severo Os movimentos foliares amplos induzidos pelo estresse moderado são completa mente diferentes da murcha que ocorre durante o estresse severo Observe que durante o estresse moderado o folíolo terminal ficou erguido ao passo que os laterais se orientam para baixo a folha fica quase vertical A fotografia de David McIntyre B cortesia de B L McMichael C cortesia de D M Oosterhuis 758 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento ORIENTAÇÃO FOLIAR Para proteção contra o supera quecimento durante o déficit hídrico as folhas de algumas espécies podem se orientar afastandose do sol essas fo lhas são denominadas paraheliotrópicas As folhas que obtêm energia se orientando perpendicularmente à luz solar são referidas como diaheliotrópicas Outros fatores que podem alterar a interceptação da radiação são a mur cha e o enrolamento foliar A murcha altera o ângulo da folha e o enrolamento foliar minimiza o perfil de tecido exposto ao sol Figura 2427C TRICOMAS Muitas folhas e caules possuem células epi dérmicas semelhantes a pelos chamadas de tricomas Os tricomas podem ser efêmeros ou persistir por toda a vida do órgão Alguns tricomas persistentes permanecem vi vos enquanto outros passam por MCP restando apenas suas paredes celulares Os estômatos densamente dispos tos em uma superfície foliar mantêm as folhas mais frias pela reflexão da radiação As folhas de algumas espécies exibem aparência brancoprateada porque os tricomas densamente dispostos refletem uma grande quantidade de luz Entretanto as folhas pubescentes estão em des vantagem nos meses mais frios de primavera pois os tricomas também refletem a luz visível necessária para a fotossíntese CUTÍCULA A cutícula é uma estrutura multiestratifica da de ceras e hidrocarbonetos relacionados depositados nas paredes celulares externas da epiderme foliar Como os tricomas a cutícula pode refletir luz reduzindo assim a carga de calor A cutícula parece também restringir a di fusão de água e gases bem como a penetração de patóge nos Uma resposta do desenvolvimento ao déficit de água em algumas plantas é a produção de uma cutícula espessa que diminui a transpiração RAZÃO RAIZPARTE AÉREA A razão entre as biomas sas da raiz e da parte aérea é outro exemplo importante de plasticidade fenotípica A razão raizparte aérea parece ser governada por um equilíbrio funcional entre a absor ção de água pela raiz e a fotossíntese pela parte aérea No conjunto de limites estabelecidos pelo potencial genético da planta uma parte aérea tende a crescer até que a ab sorção de água pelas raízes se torne limitante ao cresci mento inversamente as raízes tendem a crescer até que sua demanda por fotossintatos oriundos da parte aérea exceda o fornecimento Esse equilíbrio funcional é deslo cado se o fornecimento de água diminuir Quando a água para a parte aérea se torna limitante a expansão foliar é reduzida antes que a atividade fotossintética seja afetada ver Figura 245 A inibição da expansão foliar reduz o consumo de carbono e energia e uma maior proporção de assimilados da planta pode ser alocada para o siste ma subterrâneo onde podem sustentar a continuidade do crescimento das raízes Figura 2428 Esse crescimento das raízes é sensível ao status hídrico do microambiente do solo os ápices das raízes em solo seco perdem turgor enquanto as raízes nas zonas do solo ainda úmidas con tinuam a crescer O ABA desempenha um papel importante na regu lação da razão raizparte aérea durante o estresse hídrico Como mostra a Figura 2429 a razão entre as biomassas da raiz e da parte aérea aumenta permitindo que as raízes cresçam às expensas das folhas Os mutantes deficientes de ABA no entanto são incapazes de alterar sua razão raizparte aérea em resposta ao estresse hídrico Portanto o ABA é necessário para que ocorra a mudança na razão raizparte aérea 15 0 10 20 30 40 50 30 45 60 Horas após o transplante Razão raizparte aérea Condições de estresse hídrico Ψ baixo Tipo selvagem ABA Mutante deficiente de ABA Figura 2429 Sob condições de estresse hídrico Ψ baixo defi nido diferentemente para parte aérea e raiz a razão entre o cres cimento da raiz e o da parte aérea é muito mais alta quando o ABA está presente ie no tipo selvagem do que quando inexiste ABA no mutante De Saab et al 1990 Ótimo P N K Fe Figura 2428 Efeito do estresse salino na razão entre raiz e par te aérea do tomateiro De SánchezCalderón et al 2014 Capítulo 24 Estresse Abiótico 759 Alterações metabólicas capacitam as plantas para enfrentar diversos estresses abióticos As alterações no ambiente podem estimular conversões nas rotas metabólicas que reduzem o efeito do estresse sobre o metabolismo vegetal Por exemplo durante o es tresse anaeróbico causado pela inundação as raízes fer mentam piruvato a lactato pela ação da lactato desidroge nase ver Figura 123 A produção de lactato ácido láctico abaixa o pH intracelular inibindo a lactato desidrogenase e ativando a piruvato descarboxilase Essas mudanças na atividade enzimática rapidamente levam a uma mudan ça da produção de lactato para etanol ver Figura 123 O rendimento líquido de ATP na fermentação é de ape nas 2 moles de ATP por mol de açúcar hexose catabolizado em comparação com 36 moles de ATP por mol de hexose respirada na respiração aeróbica e por isso é inadequado para sustentar o crescimento normal das raízes Entretan to ele é suficiente para manter vivas as células das raízes durante a inundação temporária ou até que se forme o ae rênquima em plantas adaptadas à inundação prolongada Algumas espécies possuem adaptações metabólicas como a fotossíntese C4 e o metabolismo ácido das crassu láceas que lhes permitem explorar ambientes mais áridos ver Capítulos 8 e 9 O metabolismo ácido das crassulá ceas CAM crassulacean acid metabolism é uma adaptação em que os estômatos abrem à noite e fecham durante o dia A diferença de pressão de vapor da folha para o ar que aciona a transpiração durante o dia é bastante reduzida durante a noite quando a folha e o ar esfriam Como con sequência as eficiências no uso da água de plantas CAM estão entre as mais altas Uma planta CAM pode adquirir 1 g de matéria seca por apenas 125 g de água utilizada uma razão que é 3 a 5 vezes maior que a de uma planta C3 típica O padrão CAM prevalece em plantas suculentas como os cactos Algumas espécies suculentas exibem CAM facultativo mudando para CAM quando sujeitas a défi cits hídricos ou condições salinas Essa alteração no me tabolismo que envolve a síntese das enzimas fosfoenol piruvato PEP carboxilase piruvatoortofosfato diquinase piruvatofosfato diquinase e enzima NADPmálica entre outras é uma adaptação notável que permite à planta se aclimatar a essas condições Conforme discutido nos Capí tulos 8 e 9 o CAM envolve muitos atributos estruturais fi siológicos e bioquímicos incluindo alterações nos padrões de carboxilação e descarboxilação o transporte de grandes quantidades de malato para dentro e para fora dos vacúolos e a inversão da periodicidade dos movimentos estomáticos O processo de recuperação do estresse pode ser perigoso para a planta e requer um ajuste coordenado de metabolismo e fisiologia vegetais Uma vez aclimatada a um conjunto de condições ambien tais de estresse uma planta alcança um estado de home ostase metabólica que lhe permite crescer otimamente sob essas condições Contudo quando o estresse é retirado por exemplo por reidratação no caso de uma planta sub metida à seca ela deve alterar seu metabolismo de volta ao novo conjunto de condições sem estresse Em algu mas ocasiões quando por exemplo a planta necessita mudar de um ambiente anaeróbico altamente reduzido para condições aeróbicas oxidadas durante a atenuação do estresse por inundação a mudança metabólica pode ser muito perigosa para ela pois níveis elevados de EROs podem se formar e danificar as células A recuperação do estresse portanto é um processo tão sincronizado quanto a aclimatação ao estresse A planta deve remover e reciclar todos os mRNAs proteínas substâncias químicas prote toras e compostos desnecessários que se acumularam nas células durante o processo de aclimatação e pelo período de estresse Além disso a planta precisa modificar seu fluxo energético metabólico para se preparar para as no vas condições e se ajustar a elas A reativação de certas atividades como fotossíntese respiração e biossíntese de lipídeos pode exigir um processo delicado e sincronizado pois é possível que essas rotas produzam níveis elevados de EROs e as vias de inativação de EROs que protegem a planta deveriam estar a postos antes que as rotas estejam funcionando plenamente Embora do ponto de vista ener gético seja melhor remover e reciclar todos os mecanismos de resposta quando o estresse abranda algumas espécies mantêm uma prontidão para oporse à recorrência do estresse essas espécies preservam ativos certos mecanis mos reguladores de resposta hormônios ou modificações epigenéticas mesmo após o abrandamento do estresse Esse processo frequentemente é referido metaforicamente como memória pois a planta parece lembrar do estres se mesmo muito depois que ele tenha terminado a planta responderá muito mais rápido à recorrência do estresse em comparação com a primeira vez que o enfrentou O desenvolvimento de culturas vegetais com aumento da tolerância às condições de estresse abiótico é uma meta importante da pesquisa agrícola Uma meta importante do estudo de respostas aos estres ses em plantas é desenvolver culturas com aumento da tolerância às condições de estresse biótico e abiótico Tais culturas diminuiriam a perda no rendimento associada ao estresse ambiental e evitariam prejuízos anuais de bilhões de dólares à produção agrícola O dogma central da pesquisa sobre estresse abiótico em espécies vegetais é estudar como elas utilizam me canismos sensores e se aclimatam a essas condições o próximo passo é usar esse conhecimento para desenvol ver plantas incluindo as de interesse agrícola com maior tolerância a esses estresses As estratégias para o uso de genes selecionados para melhorar a tolerância a estresses abióticos em plantas contemplam as abordagens de ganho e perda de função que se destinam a genes específicos em níveis diferentes Esses genes podem codificar enzimas ou 760 Unidade III Crescimento e Desenvolvimento proteínas reguladoras como fatores de transcrição ou pro teínas quinase ativadas por mitógeno Promotores espe cíficos de tecidos constitutivos ou induzíveis por estresse têm sido utilizados para expressar os genes selecionados a fim de alcançar eficiência máxima na proteção ao estresse com o mínimo possível de efeitos negativos sobre o cres cimento e a produtividade Conforme já descrito a dispo nibilidade da tecnologia da transcriptômica possibilitou a identificação de várias redes transcricionais diferentes de resposta ao estresse Esses estudos identificaram vários fatores de transcrição que podem ativar múltiplas rotas de aclimatação de plantas além de fornecer a elas proteção contra condições de estresse abiótico no laboratório Toda via até agora se demonstrou que somente alguns desses genes atuam sob condições de campo A análise dos loci de caracteres quantitativos QTL quantitative trait loci e a re produção tradicional também têm comprovado sua grande utilidade para a identificação de genes responsáveis pela tolerância a estresses abióticos em culturas agrícolas Em combinação com a engenharia genética esses métodos resultaram na identificação e no uso bemsucedido de ge nes responsáveis pela tolerância à salinidade no trigo e no arroz estresse por boro e alumínio no trigo no sorgo e na cevada além do estresse anaeróbico no arroz RESUMO Os mecanismos sensores das plantas detectam mudanças em seu ambiente e respondem a elas por meio de rotas dedicadas às respostas aos estresses Essas rotas abrangem redes gêni cas proteínas reguladoras e intermediários de sinalização bem como proteínas enzimas e moléculas que atuam na proteção das células aos efeitos tóxicos do estresse abiótico Juntos es ses mecanismos antiestresse capacitam as plantas a aclimata remse ou adaptaremse a estresses como seca calor frio sali nidade e suas combinações possíveis Uma meta importante da pesquisa é utilizar alguns desses mecanismos de aclimatação ou adaptação para a proteção de culturas agrícolas sob condi ções climáticas adversas que poderão resultar do aquecimento global Definição de estresse vegetal O estresse em geral pode ser definido como qualquer condição ambiental que impede a planta de atingir seu potencial genéti co pleno sob condições de crescimento ideais As respostas vegetais ao estresse abiótico envolvem confli tos tradeoffs entre os crescimentos vegetativo e reprodu tivo que podem diferir dependendo de a planta ser anual ou perene Aclimatação e adaptação A adaptação é caracterizada por mudanças genéticas em uma população inteira que foram fixadas por seleção natural duran te muitas gerações A aclimatação é o processo pelo qual as plantas individuais respondem a mudanças periódicas no ambiente mediante al teração direta de sua morfologia ou fisiologia As mudanças fisiológicas associadas com a aclimatação não requerem modi ficações genéticas e muitas são reversíveis O estresse pode ser definido como qualquer condição que im pede a planta de alcançar o crescimento e o potencial reprodu tivo máximos Figuras 241 242 Durante o ajuste fisiológico ao estresse abiótico ocorrem confli tos entre os desenvolvimentos vegetativo e reprodutivo Fatores ambientais e seus impactos biológicos nas plantas Os estresses ambientais podem transtornar o metabolismo vegetal através de diversos mecanismos a maioria dos quais resulta na acumulação de espécies reativas de oxigênio EROs Figuras 243 244 A desidratação celular leva a decréscimo da pressão de turgor aumento da toxicidade iônica e inibição da fotossíntese Figura 245 Tabela 241 O estresse salino provoca desnaturação proteica e desestabili zação de membranas que reduzem o crescimento vegetal aci ma do solo e inibem a fotossíntese Tabela 241 O estresse luminoso ocorre quando as plantas recebem mais luz solar do que conseguem usar fotossinteticamente Tabela 241 O estresse térmico afeta a estabilidade proteica as reações en zimáticas a fluidez das membranas e as estruturas secundárias de RNA e DNA Tabela 241 O solo inundado sofre esgotamento de oxigênio levando ao estresse anaeróbico para a raiz Tabela 241 O estresse pelo congelamento como o estresse pela seca pro voca desidratação celular Tabela 241 Os metais pesados podem substituir outros metais essenciais e romper reações fundamentais Tabela 241 A indisponibilidade de nutrientes minerais reprime o crescimen to e o desenvolvimento da planta O ozônio e a luz ultravioleta induzem a formação de EROs que por sua vez induzem a produção de lesões foliares e a morte celular programada Combinações de estresses abióticos podem ter efeitos na fi siologia e na produtividade das plantas que são diferentes dos efeitos dos estresses individuais Figuras 246 247 As plantas podem conquistar proteção cruzada quando expos tas sequencialmente a diferentes estresses abióticos Mecanismos sensores de estresse em plantas As plantas empregam mecanismos físicos biofísicos metabóli cos bioquímicos e epigenéticos para detectar estresses e ativar rotas de resposta Figura 248 Capítulo 24 Estresse Abiótico 761 Rotas de sinalização ativadas em resposta ao estresse abiótico Muitas rotas de resposta ao estresse compartilham intermediá rios da sinalização permitindo que elas sejam integradas Figu ras 2492412 Os regulons ativam simultaneamente rotas específicas de res posta ao estresse e suprimem outras rotas que são desnecessá rias ou poderiam mesmo danificar a planta durante o estresse Figura 2413 Os cloroplastos podem emitir sinais de dificuldade para o núcleo Uma onda autopropagante de produção de EROs alerta partes da planta até então não estressadas sobre a necessidade de uma resposta Figura 2414 Mecanismos de resposta ao estresse epigenético podem con duzir à proteção herdável Figura 2415 Os hormônios atuam separadamente e em conjunto para regu lar as respostas ao estresse abiótico Mecanismos fisiológicos e do desenvolvimento que protegem as plantas contra o estresse abiótico As plantas abaixam o Ψ da raiz para continuar a absorver água no solo em dessecação Figuras 2417 2418 O aerênquima permite a difusão de O2 em direção aos órgãos submersos Figura 2419 As EROs podem ser destoxificadas por rotas de inativação que reduzem o estresse oxidativo Figura 2420 As proteínas chaperonas protegem proteínas e membranas sen síveis durante o estresse abiótico Figura 2421 A exposição prolongada a temperaturas extremas pode alterar a composição de lipídeos de membrana permitindo assim que as plantas mantenham a fluidez de membrana Tabela 243 As plantas convivem com os íons tóxicos mediante exclusão e mecanismos internos de tolerância Figura 2422 As plantas geram proteínas anticongelamento para impedir a formação de cristais de gelo O fechamento estomático é provocado pelo efluxo de K e ânions das célulasguarda induzido pelo ABA Figuras 2424 2426 As plantas podem alterar sua morfologia foliar e sua razão en tre biomassas da raiz e da parte aérea para evitar ou mitigar o estresse abiótico Figuras 24272429 Alterações metabólicas capacitam as plantas a sobreviver aos estresses efêmeros como a inundação ou mudanças ambien tais do dia para a noite A inversão das rotas de resposta ao estresse deve ocorrer de uma maneira sincronizada para evitar a produção de EROs Os pesquisadores na área agrícola estudam os mecanismos sensores e a aclimatação das plantas às condições estressantes depois tentam desenvolver culturas vegetais com tolerância aumentada MATERIAL DA INTERNET Ensaio 241 Heterofilia em plantas aquáticas O ácido abs císico induz a morfologia foliar do tipo aéreo em muitas plantas aquáticas Leituras sugeridas Ahuja I de Vos R C Bones A M and Hall R D 2010 Plant molecular stress responses face climate change Trends Plant Sci 15 664674 Atkinson N J and Urwin P E 2012 The interaction of plant biotic and abiotic stresses From genes to the field J Exp Bot 63 35233543 Chinnusamy V and Zhu J K 2009 Epigenetic regulation of stress responses in plants Curr Opin Plant Biol 12 133 139 Lobell D B Schlenker W and CostaRoberts J 2011 Climate trends and global crop production since 1980 Science 333 616620 Mittler R 2002 Oxidative stress antioxidants and stress tolerance Trends Plant Sci 7 405410 Mittler R and Blumwald E 2010 Genetic engineering for modern agriculture Challenges and perspectives Annu Rev Plant Biol 61 443462 Mittler R Vanderauwera S Gollery M and Van Breusegem F 2004 Reactive oxygen gene network of plants Trends Plant Sci 9 490498 Peleg Z and Blumwald E 2011 Hormone homeostasis and abiotic stress tolerance in crop plants Curr Opin Plant Biol 14 16 Peleg Z Apse M P and Blumwald E 2011 Engineering salinity and water stress tolerance in crop plants Getting closer to the field Adv Bot Res 57 405443 As plantas devido à sua natureza de organismo sésseis evoluíram diversas estratégias para se protegerem dos herbívoros e patógenos que embora sejam ameaças naturais podem se tornar insuportáveis e ameaçar a sobrevivência das plantas Insetos roedores e grandes organismos mamíferos que se alimentam delas a partir das folhas ou de flores e frutos ou ainda de partes das raízes causam danos diretos ao organismo Esses eventos diminuem a capacidade de sobrevivência e crescimento das plantas uma vez que elas perdem uma quantidade significativa de tecido vegetal necessário para processos como fotossíntese e transporte de nutrientes Essas defesas incluem métodos tanto físicos quanto químicos alguns métodos físicos incluem espinhos acúleos e tricomas que dificultam a alimentação dos herbívoros por tornar inacessíveis as partes vulneráveis existem ainda algumas plantas que liberam substâncias pegajosas ou venenosas quem impedem a ação do herbívoro Os métodos químicos incluem substâncias que tornam os tecidos vegetais indesejáveis para os herbívoros como alguns alcaloides taninos e terpenos que não apenas diminuem o apetite dos predadores mas também atrasam a digestão Plantas usam defesas diretas e indiretas por exemplo algumas plantas ardidas podem atrair inimigos naturais dos consumidores delas No entanto todos os patógenos representam uma ameaça para as plantas como fungos bactérias vírus e oomicetos eles se espalham rapidamente podendo causar danos reduzindo a capacidade da planta de realizar funções vitais Para se proteger contra essas ameaças plantas evoluíram mecanismos de proteção altamente sofisticados a primeira linha de defesa são estruturas físicas como casca cutícula e células epidérmicas Essas camadas externas agem como barreiras físicas para evitar a entrada de qualquer agente patogênico Se as barreiras dessa defesa forem desafiadas a planta irá promover uma resposta imunológica mais específica que inclui a emissão de fitoalexinas substâncias químicas com propriedades naturais antimicrobianas que inibem o crescimento da maioria dos microrganismos patogênicos também podendo criar células de defesa no local onde o patógeno entrou retardando a disseminação nos tecidos Por fim as plantas têm um sistema de detecção avançado que podem identificar moléculas específicas de patógenos o que desencadeia um fluxo de reações Em alguns casos a resistência da planta a um patógeno em particular é tão significativa que ela reivindica a secagem do ponto de infecção o que resulta na morte dessa área e na limitação da disseminação do patógeno Esse mecanismo é a parte do sistema de reconhecimento e defesa e é mediado por proteínas e moléculas de sinalização específicas Ao mencionar o estresse vegetal este se refere ao conjunto de reações que as plantas desencadeiam em resposta às condições adversas do ambiente O estresse pode ser causado por diversos fatores incluindo variações climáticas extremas escassez ou excesso de água temperaturas muito altas ou baixas poluição e a presença de substâncias tóxicas no solo Esse processo pode prejudicar o crescimento desenvolvimento e reprodução das plantas e em muitos casos até causar sua morte O estresse abiótico determinado se não biológico é um dos maiores problemas para estes organismos pois os força a se adaptar ao que não pode controlar ao contrário de muitos fatores bióticos A maneira como as plantas respondem ao estresse é por meio de aclimatação sendo esta a resposta temporária às mudanças ambientais feitas para ajustar sua fisiologia para aprimorar sua sobrevivência e funcionalidade Essas mudanças podem incluir modificações celulares transpiração e produção de substâncias que ajudam no suporte de superaquecimento ou o resfriamento da temperatura A aclimatação é uma resposta reversível voltando ao normal uma vez que as condições retornem á estabilidade original As plantas se adaptam a partir de respostas evolutivas em longo prazo que as fazem desenvolverem novos atributos para resistir às condições podendo ser por exemplo atributos genéticos e permitir que a planta sobreviva a condições secas e salgadas Como as plantas Xerófitas desenvolveram folhas mais grossas e recursos avançados para se concentrar e manter a água uma vez que são de ambientes áridos A adaptação é um processo mais lento que se estende por muitas gerações em comparação com a aclimatação e é influenciado pelo ambiente a qual são expostas a luz a temperatura a umidade e os nutrientes disponíveis podem afetar o crescimento a reprodução e a saúde das plantas Relacionado à luz a luminosidade em excesso pode levar à fotoinibição pela qual pode levar a uma queda da taxa de fotossíntese como resultada da absorção irrestrita dos raios solares Logo plantas desnutridas não têm energia suficiente para assegurar a manutenção do metabolismo básico e isso acarreta a uma deficiência que se manifesta em menor crescimento A adaptação ao estresse abiótico como a seca ou o frio é um campo de estudo em constante evolução graças o aumento de ocorrências dos eventos climáticos Durante a seca plantas podem desacelerar a transpiração para evitar a perda de água fechar os estômatos para evitar a perda de água em vapor ou substituir as moléculas da membrana para sobreviver ao estresse hídrico Ainda mais algumas plantas produzem hormônios como ácido abscísico que pode sinalizar o fechamento dos estômatos e limitar a utilização da água Outro aspecto relevante sobre interações com organismos adversários é a capacidade de memorização e priming Após um ataque inicial muitas espécies registradoras conseguem gravar a experiência e são capazes de reagir de forma mais eficaz a futuros ataques iguais ou semelhantes Esse sistema de imunidade adaptável é regulado por sinais químicos que permanecem presentes mesmo após o fim da ameaça inicial Além disso o priming pode beneficiar outras plantas que estejam próximas uma vez que organismo afetado pode liberar compostos voláteis que ativam respostas duradouras em plantas vizinhas Os fatores abióticos também desempenham um papel crucial no agravamento das ameaças bióticas como condições de seca enfraquecendo as barreiras físicas das plantas tornandoas mais vulneráveis a patógenos logo as plantas devem priorizar a alocação de recursos energéticos para balancear seus sistemas de defesa com mecanismos de adaptação ao ambiente um equilíbrio que varia entre espécies Nenhuma dessas respostas é universal e cada planta desenvolve suas próprias estratégias independentes do ecossistema individual Contudo a compreensão desses mecanismos é essencial para se desenvolver estratégias agrícolas eficazes especialmente em um contexto de mudanças globais Referências httpwwwbiologicospgovbruploadsdocsdtinsetossugadorespdf httpswwwinfotecacnptiaembrapabrbitstreamdoc7109391133fitopatoge nospdfMecanismos httpswwwinfotecacnptiaembrapabrbitstreamdoc6303181doc250pdf httpswwwufmgbrestacaoecologicawpcontentuploads2020112009OKI YumietalfungosendofiticosherbivorosdeAsteraceaepdf httpsagriculturebasfcombrptconteudoscultivosesementesvejamais cultivososistemadedefesadasplantas httpslabfitopccaufscbr20091Mecanismos20de20defesapdf httpswwwfcavunespbrHomedepartamentostecnologialuciamariacarareto alvesdefesaherbivorosfisiologiavegetaltaizezeigercap134ed2009pdf httpsecologiaibuspbrcurso2008pdfIGUILHERMEpdf httpsblogsyngentadigitalagcomoplantassedefendemdosinsetos httpsecologiaibuspbrcurso2016pdfPO4G4pdf httpswwwufrgsbrleaaarquivosaulasSERP35SERP3520aula20320 20DetecC3A7C3A3o20de20estressespdf httpselevagrocomblogestresseemplantasoquee httpskcenterlallemandplantcarecomptbrbrazilparaguayconhecaos fundamentosoestressedasplantas httpswwwuelbrpessoalambridiBioclimatologiaarquivosAdaptacaoeAclim atacaoAnimalpdf httpsnutricaodesafrascombrestresseambientalemplantas httpsbioqualitaagrbrcomoosfatoresclimaticosimpactamanutricao vegetal