Função e Estrutura dos Estômatos em Plantas

10 E stômatos termo derivado da palavra grega para boca são estrutu ras dos órgãos aéreos da maioria das plantas O termo estômato indi ca uma fenda microscópica ou ostíolo através da superfície do órgão vegetal que permite a comunicação entre o seu interior e o ambiente externo e um par de células especializadas as célulasguarda que circundam a fenda As célulasguarda respondem a sinais ambientais alterando suas dimen sões regulando assim o tamanho da fenda estomática De acordo com o botânico Hugo von Mohl 1856 as alterações de turgor nas célulasguarda fornecem a força mecânica para as mudanças na fenda estomática ver Ca pítulo 4 As célulasguarda estão continuamente intumescendo ou contrain dose e as deformações da parede resultantes causam alterações nas dimen sões da fenda Essas alterações de dimensão são o resultado da percepção dos sinais ambientais pelas célulasguarda Visualize a superfície externa de uma folha a partir da perspectiva de uma abelha ver Figura 412C Dentro de um mar de células epidérmicas pares de célulasguarda aparecem intercalados com uma fenda no centro de cada par de células Em algumas espécies as célulasguarda estão sozinhas em outras elas são acompanhadas por células subsidiárias especializadas que as distinguem das demais células epidérmicas A inspeção da distribuição dos estômatos em folhas que crescem em ambientes com diferentes níveis de disponibilidade de água dá uma pista do papel dos estômatos nas adaptações das plantas Folhas de plantas aquáticas que vivem debaixo dágua são desprovidas de estômatos Folhas que flutuam na água geralmente em lagoas têm estômatos em sua superfície superior que cresce em contato com o ar mas não nas superfícies que estão em contato com a água Folhas aéreas têm estômatos em ambas as superfícies embora a frequência e a distribuição dos estômatos variem drasticamente com a filogenia e o ambiente Por que os estômatos são necessários na superfície das folhas em contato com o ar Essa necessidade é uma adaptação crucial para evitar a dessecação Quando invadiram hábitats terrestres as plantas aquáticas de senvolveram uma cutícula impermeável que impede a perda de água Essa adaptação no entanto trouxe um problema diferente para a sobrevivência dessas plantas qualquer substância que efetivamente bloqueie a difusão da água para fora também atua como uma barreira contra a difusão de CO2 para dentro um substrato essencial para a fotossíntese ver Capítulo 8 Biologia dos Estômatos Taiz10indd 269 Taiz10indd 269 27102016 144212 27102016 144212 270 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Os estômatos oferecem uma solução temporal para esse problema Eles se fecham à noite pois não há fotossíntese sem luz e abremse durante o dia Em geral os estômatos fechamse quando a água é limitante evitando assim a sua perda excessiva deletéria Eles abremse em condições que favorecem a fotossíntese ver Capítulo 9 A força motriz para os movimentos estomá ticos é a pressão de turgor discutida em detalhes no Capítulo 4 Os estímulos ambientais associa dos a uma elevada demanda por CO2 no interior da folha são transduzidos em uma maior pressão de turgor o que leva à intumescência das células guarda e a um alargamento da fenda estomática Estímulos associados à necessidade de reduzir o uso de água da planta são transduzidos em uma redução do turgor e no fechamento dos estôma tos Célulasguarda são então válvulas de turgor Abertura estomática dependente de luz Em condições de clima temperado a luz é o estímulo do minante que causa a abertura dos estômatos ver Tópico 101 na internet Os dois principais fatores envolvidos com a abertura estomática dependente de luz são 1 a fo tossíntese nos cloroplastos das célulasguarda e 2 uma resposta específica à luz azul Além disso aumentos na fotossíntese no mesofilo reduzem a concentração inter celular de CO2 e baixa concentração intercelular de CO2 abre os estômatos As célulasguarda respondem à luz azul Várias características dos movimentos estomáticos que dependem da luz azul tornam as célulasguarda um va lioso sistema experimental para o estudo das respostas à luz azul A resposta estomática à luz azul é rápida e reversível estando localizada em um único tipo de célula a célu laguarda Figura 101 A resposta estomática à luz azul regula os movimen tos estomáticos ao longo de toda a vida da planta Isso é diferente do fototropismo e do alongamento do hipo cótilo que são funcionalmente importantes apenas em estágios iniciais de desenvolvimento ver Capítulo 16 O processo de transdução de sinal que liga a percep ção da luz azul à abertura dos estômatos é bastante conhecido Os estômatos abremse quando os níveis de luz que chegam à superfície da folha aumentam e fechamse à medida que a luz diminui Nas folhas de fava Vicia faba cultivadas em casa de vegetação os movimentos estomá ticos estão estreitamente correlacionados com a radiação solar incidente na superfície foliar Figura 102 Essa de pendência da luz dos movimentos estomáticos tem sido documentada para muitas espécies e condições Cloroplasto Cloroplasto Célulasguarda Célulasguarda Fenda Fenda Cloroplasto Célulasguarda Fenda A B 20 μm Figura 101 Abertura estomática estimulada pela luz em epider me isolada de Vicia faba O estômato aberto após tratamento com luz A é mostrado no estado fechado após tratamento no escuro B A abertura estomática é quantificada por medição microscópica da largura da fenda estomática Cortesia de E Raveh 2 0 4 6 8 10 12 14 250 0 500 750 1000 1250 B A 5 h 9 h 13 h 17 h 21 h PPFD μmol m2 s1 Abertura estomática largura da fenda mm Hora do dia Luz incidente Aberturas Figura 102 A abertura estomática acompanha a radiação fo tossinteticamente ativa na superfície foliar A abertura estomática na superfície inferior abaxial das folhas de Vicia faba cultivadas em casa de vegetação medida pela largura da fenda estomática A segue de perto os níveis da radiação fotossinteticamente ativa 400 700 nm incidente sobre a folha B indicando que a resposta à luz é a dominante na regulação da abertura estomática PPFD densidade de fluxo de fototônico fotossintético de photosynthetic photon flux density De Srivastava e Zeiger 1995 Taiz10indd 270 Taiz10indd 270 27102016 144213 27102016 144213 Capítulo 10 Biologia dos Estômatos 271 Estudos da resposta estomática à luz mostraram que a diclorofenildimetilureia DCMU um inibidor do trans porte fotossintético de elétrons ver Figura 728 provoca uma inibição parcial da abertura estomática estimulada pela luz Esses resultados indicam que a fotossíntese nos cloroplastos das célulasguarda desempenha um papel na abertura dos estômatos dependente da luz mas por que a resposta é apenas parcial Essa resposta parcial à DCMU aponta para o envolvimento de um componente da respos ta estomática à luz não fotossintético insensível à DCMU Estudos detalhados realizados sob luz colorida mostraram que ela ativa duas respostas distintas das célulasguarda fotossíntese nos cloroplastos das célulasguarda ver En saio 101 na internet e uma resposta específica à luz azul Uma vez que a luz azul estimula tanto a resposta es pecífica dos estômatos à luz azul quanto a fotossíntese das célulasguarda ver o espectro de ação para a fotossíntese na Figura 78 e Ensaio 101 na internet a luz azul por si só não pode ser usada para estudar a resposta estomática específica a ela Para conseguir uma separação bem de finida entre essas duas respostas à luz os pesquisadores realizam experimentos com uma fonte luminosa de feixe duplo Primeiro altas taxas de fluência de luz vermelha são utilizadas para saturar a resposta fotossintética essa saturação impede posterior abertura estomática mediada pela fotossíntese em resposta a novos aumentos na luz vermelha ou azul A seguir baixos fluxos de fótons de luz azul são adicionados após a resposta à luz vermelha satu rante ser estabelecida Figura 103 A adição da luz azul leva a um substancial aumento na abertura estomática que como já explicado não pode ser devido a um aumento na estimulação da fotossíntese das célulasguarda pois a luz vermelha de fundo saturou a fotossíntese Um espectro de ação para a resposta estomática à luz azul sob iluminação com luz vermelha saturante de fundo mostra um padrão de três dedos Figura 104 Esse es pectro de ação típico da resposta à luz azul e diferente do espectro de ação da fotossíntese indica que as células guarda respondem especificamente à luz azul Quando as célulasguarda são tratadas com enzimas celulolíticas que digerem as paredes celulares seus proto plastos protoplastos das célulasguarda são liberados e podem ser utilizados em experimentos No laboratório os protoplastos das célulasguarda intumescem quando iluminados com luz azul Figura 105 indicando que essa luz é percebida dentro da própria célulaguarda O intu mescimento dos protoplastos das célulasguarda também ilustra como funcionam essas células intactas A luz esti mula a absorção de íons e a acumulação de solutos orgâni cos nos protoplastos das célulasguarda reduz o potencial osmótico das células aumenta a pressão osmótica Como consequência a água entra e os protoplastos das células guarda intumescem Nas célulasguarda intactas esse aumento de turgor leva à deformação das paredes celula res e a um aumento na fenda estomática ver Capítulo 4 A luz azul ativa uma bomba de prótons na membrana plasmática da célulaguarda Quando os protoplastos das célulasguarda da fava V faba são irradiados com luz azul sob iluminação sa turante de fundo com luz vermelha o pH do meio de sus pensão tornase mais ácido Figura 106 Essa acidificação induzida pela luz azul é bloqueada por desacopladores que dissipam gradientes de pH como CCCP discutida em breve e por inibidores da ATPase bombeadora de prótons 400 350 450 500 550 Eficiência relativa Comprimento de onda nm Espectro visível Figura 104 Espectro de ação para a abertura estomática es timulada pela luz azul sob luz de fundo vermelha De Karlsson 1986 1 2 3 4 2 0 4 6 8 10 12 14 Abertura estomática μm Tempo h Luz azul Luz vermelha Figura 103 Resposta dos estômatos à luz azul sob luz verme lha de fundo Os estômatos de uma epiderme isolada da trapoe raba Commelina communis foram tratados com fluxos de fótons saturantes de luz vermelha linha vermelha Em um tratamento paralelo os estômatos iluminados com luz vermelha também fo ram iluminados com luz azul conforme indicado pela seta linha azul O aumento na abertura estomática acima do nível alcança do na presença da luz vermelha saturante indica que um sistema de fotorreceptor diferente estimulado pela luz azul está median do os aumentos adicionais na abertura Experimentos realizados com epiderme isolada eliminam os efeitos do CO2 do mesofilo De Schwartz e Zeiger 1984 Taiz10indd 271 Taiz10indd 271 27102016 144213 27102016 144213 272 Unidade II Bioquímica e Metabolismo H discutidos no Capítulo 6 como ortovanadato ver Fi gura 105B Esses estudos de acidificação demonstraram que a luz azul ativa uma ATPase bombeadora de prótons na membrana plasmática das célulasguarda Na folha intacta essa estimulação do bombeamento de prótons pela luz azul reduz o pH do espaço apoplásti co ao redor das célulasguarda e gera a força motora para a captação de íons e a abertura estomática A ATPase da membrana plasmática de célulasguarda já foi isolada e amplamente caracterizada A ativação de bombas eletrogênicas como a ATPase bombeadora de prótons pode ser medida em experimen tos de patch clamping como uma corrente elétrica para fora da membrana plasmática ver Tópico 62 na internet para uma descrição de patch clamping A Figura 107A mostra um registro de patch clamping de um protoplasto de célulaguarda tratado no escuro com a toxina fúngica fusicoccina um ativador bem caracterizado da ATPase da membrana plasmática A exposição à fusicoccina estimula uma corrente elétrica para fora a qual gera um gradien te de prótons Esse gradiente de prótons é interrompido pela carbonil cianeto mclorofenilhidrazona CCCP um ionóforo de prótons que torna a membrana plasmática al tamente permeável a prótons evitando assim a formação de um gradiente de prótons através da membrana e acaba com o efluxo líquido de prótons A relação entre o bombeamento de prótons na mem brana plasmática da célulaguarda e a abertura estomática é evidente a partir das observações de que 1 a fusicocci na estimula tanto a extrusão de prótons da célulaguarda quanto a abertura estomática e 2 a CCCP inibe a aber tura estimulada pela fusicoccina O aumento nas taxas de bombeamento de prótons em função das taxas de fluência de luz azul indica ainda que o aumento do número de fó tons azuis na radiação solar que atinge a folha deve causar uma abertura estomática maior ver Figura 106 Um pul so de luz azul dado sob um fundo de luz vermelha satu rante também pode estimular uma corrente elétrica para o 10 0 20 30 40 50 60 70 5 10 50 500 Linha base sob luz vermelha saturante Pulsos de luz azul de diferentes fluxos de fótons μmol m2 s1 Tempo min pH do meio de suspensão Mais alcalino Mais ácido A 20 40 60 30 0 35 40 45 50 55 Volume dos protoplastos das célulasguarda μm3 102 Tempo min Controle 500 μM Ortovanadato Luz azul ligada Luz vermelha ligada B Luz azul Fenda estomática não digerida Protoplastos intumescem em luz azul Protoplasto no escuro Figura 105 Intumescimento de protoplastos de célulasguarda estimulado pela luz azul A Na ausência de uma parede celular rígida os protoplastos de célulasguarda de cebola Allium cepa intumescem B A luz azul estimula o intumescimento dos proto plastos de célulasguarda de fava V faba e o ortovanadato um inibidor da HATPase inibe o intumescimento A luz azul estimula a absorção de íons e de água nos protoplastos de célulasguarda o que nas células intactas fornece uma força mecânica que opera contra a parede celular rígida que distorce a célulaguarda causan do o aumento da abertura estomática A de Zeiger e Hepler 1977 B de Amodeo et al 1992 Figura 106 Acidificação de um meio de suspensão de proto plastos de célulasguarda de V faba estimulada por um pulso de 30 s de luz azul A ativação resulta da estimulação de uma HATPase na membrana plasmática pela luz azul e está associada ao intumes cimento dos protoplastos ver Figura 105 De Shimazaki et al 1986 Taiz10indd 272 Taiz10indd 272 27102016 144213 27102016 144213 Capítulo 10 Biologia dos Estômatos 273 exterior em protoplastos de célulasguarda Figura 107B A relação entre essa corrente elétrica estimulada pelos pulsos e a acidificação em resposta à luz azul mostradas na Figura 106 indica que a corrente elétrica medida é re sultante do movimento dos prótons do interior das células para o apoplasto As respostas à luz azul possuem cinética e períodos de atraso lag times característicos As respostas temporais dos estômatos a pulsos de luz azul ilustram algumas importantes propriedades das respostas à luz azul uma persistência da resposta após o sinal lumi noso ter sido desligado e um período de atraso significa tivo separando o início do sinal luminoso e o começo da resposta Em comparação com as respostas fotossintéticas típicas que são ativadas rapidamente depois de um sinal de luz ligada e cessam quando a luz se apaga as respos tas à luz azul continuam em suas taxas máximas durante vários minutos após a aplicação do pulso ver Figuras 106 e 107B Essa persistência da resposta à luz azul após o sinal de luz desligada pode ser explicada por uma forma fisiolo gicamente inativa do receptor dessa luz que é convertida em uma forma ativa pela luz azul com a forma ativa re vertendo lentamente àquela fisiologicamente inativa após a luz azul ser desligada A rapidez com que uma resposta a um impulso de luz azul acontece portanto depende do tempo que leva entre a reversão da forma ativa à inativa Outra propriedade da resposta aos pulsos de luz azul é o período de atraso cuja duração é de aproximadamen te 25 segundos tanto na resposta de acidificação quanto na corrente elétrica para fora estimulada pela luz azul ver Figuras 106 e 107 Esse intervalo provavelmente é neces sário para que o processo de transdução de sinal proceda do sítio fotorreceptor para a ATPase bombeadora de pró tons e para a formação do gradiente de prótons Períodos de atraso semelhantes foram medidos para a inibição do alongamento do hipocótilo dependente de luz azul ver Capítulo 16 A luz azul regula o equilíbrio osmótico das célulasguarda A luz azul modula a osmorregulação das célulasguarda por sua ativação do bombeamento de prótons pela cap tação de solutos e pela estimulação da síntese de solutos orgânicos ver Tópico 102 na internet Antes de discutir essas respostas à luz azul serão considerados brevemente os principais solutos osmoticamente ativos nas células guarda O fisiologista vegetal F E Lloyd lançou em 1908 a hipótese segundo a qual o turgor das célulasguarda é re gulado por alterações osmóticas resultantes de intercon versões amidoaçúcar conceito que levou à hipótese de amidoaçúcar dos movimentos estomáticos A descoberta do fluxo de íons potássio nas célulasguarda no Japão na década de 1940 e sua redescoberta no Ocidente na dé cada de 1960 substituiu a hipótese de amidoaçúcar com a moderna teoria da osmorregulação dessas células pelo potássio e seus íons de contrabalanço Cl e malato2 A concentração de potássio nas célulasguarda au menta várias vezes quando os estômatos se abrem de 100 mM quando fechados para 400 a 800 mM quando abertos dependendo da espécie e das condições experi mentais Na maioria das espécies essas grandes mudan ças na concentração de K são eletricamente equilibradas por quantidades variáveis de ânions Cl e malato2 Figura 108 ver também Tópico 102 na internet No entanto em algumas espécies do gênero Allium como a cebola A cepa o K é equilibrado unicamente por Cl Ânions Cl são trazidos do apoplasto para dentro das célulasguarda durante a abertura dos estômatos e expe lidos no fechamento Ânions malato por outro lado são sintetizados no citosol de célulasguarda em uma rota metabólica que utiliza esqueletos de carbono gerados por hidrólise do amido ver Figura 108A O conteúdo de ma 2 pA 30 s Pulso de luz azul Corrente elétrica 2 pA A fusicoccina ativa a HATPase A CCCP torna a membrana permeável a prótons Corrente elétrica A B 1 min Figura 107 A ativação da HATPase na membrana plasmática de protoplastos das célulasguarda por fusicoccina e luz azul pode ser mensurada como uma corrente elétrica em experimentos de patch clamping A Corrente elétrica para fora medida em picoam peres pA na membrana plasmática de um protoplasto de célula guarda estimulado pela toxina fúngica fusicoccina um ativador da HATPase A corrente é interrompida pelo ionóforo de prótons carbonil cianeto mclorofenilhidrazona CCCP B Corrente elétrica para fora na membrana plasmática de um protoplasto de célula guarda estimulado por um pulso de luz azul Esses resultados in dicam que a luz azul estimula a HATPase A de Serrano et al 1988 B de Assmann et al 1985 Taiz10indd 273 Taiz10indd 273 27102016 144214 27102016 144214 274 Unidade II Bioquímica e Metabolismo H H H H H H Cl CITOPLASMA Glicose1fosfato Sacarose Sacarose Sacarose Fosfoenol piruvato Malato Malato VACÚOLO K K Cl K Cl CLOROPLASTO Ciclo de Calvin Benson Ciclo de Calvin Benson Ribulose15 bifosfato Frutose6fosfato Glicose6fosfato Amido Frutose16bifosfato Dihidroxiacetona3fosfato Dihidroxiacetona3fosfato 3fosfoglicerato CO2 Maltose Glicose A Cl CITOPLASMA Glicose1fosfato Sacarose Sacarose Sacarose Fosfoenol piruvato Malato Malato VACÚOLO K K Cl K Cl CLOROPLASTO Ribulose15 bifosfato Frutose6fosfato Glicose6fosfato Amido Frutose16bifosfato Dihidroxiacetona3fosfato Dihidroxiacetona3fosfato 3fosfoglicerato CO2 CO2 Maltose Glicose B Cl CITOPLASMA Glicose1fosfato Sacarose Sacarose Sacarose Fosfoenol piruvato Malato Malato VACÚOLO K K Cl K Cl CLOROPLASTO Ciclo de Calvin Benson Ribulose15 bifosfato Frutose6fosfato Glicose6fosfato Amido Frutose16bifosfato Dihidroxiacetona3fosfato Dihidroxiacetona3fosfato 3fosfoglicerato CO2 Maltose Glicose C CO2 CO2 Apoplasto Apoplasto Apoplasto Taiz10indd 274 Taiz10indd 274 27102016 144214 27102016 144214 Capitulo 10 Biologia dos Estsmatos 275 Figura 108 Trés rotas de osmorregulacéo distintas nas ao das célulasguarda a hipdtese de amidoactcar dei célulasguarda As setas escuras espessas identificam as prin xou de ser considerada importante No entanto sera visto cipais etapas metabdolicas de cada rota que levam a acumulacdo agora que a sacarose uma importante molécula osmorre de solutos osmoticamente ativos nas celulasguarda A Potassio guladora na hipdtese de amidoacticar desempenha um e seus contraions Potassio e cloro sao absorvidos em um pro papel importante na osmorregulacao das célulasguarda cesso de transporte secundario impulsionado por um gradien te de protons malato é formado a partir da hidrélise do amido ver Ensaio 102 na internet B Acumulagao de sacarose a partir da hidrdlise do amido C Acu A sacarose é um soluto osmoticamente ativo nas mulacao de sacarose a partir da fixagao fotossintética do carbono A possivel assimilacao da sacarose apoplastica também é indicada célulasguarda De Talbott e Zeiger 1998 Estudos recentes do andamento diario dos movimentos estomaticos em folhas intactas mostram que o conteudo de potassio nas célulasguarda aumenta paralelamente a lato das célulasguarda decresce durante o fechamento abertura estomatica no inicio da manha mas decresce no estomatico mas ainda nao esta claro se o malato catabo inicio da tarde sob condig6es nas quais a abertura conti lizado na respiragao mitocondrial ou se é expelido para o nua a aumentar Por outro lado 0 contetido de sacarose apoplasto ou ambos aumenta lentamente pela manha e com o efluxo de po fons potassio c cloreto sao absorvidos nas celulas tassio a sacarose tornase o soluto osmoticamente ativo guarda por mecanismos secundarios de transporte im om inante nas célulasguarda O fechamento estomati pulsionados pelo potencial eletroquimico para H Ati co no final do dia é acompanhado por um decréscimo no gerado pela bomba de protons discutida anteriormente conteudo de sacarose Figura 109 Esses padroes osmor neste capitulo ver Figura 108 ver também Capitulo 6 reguladores foram observados em célulasguarda tanto de A extrusao de protons torna a diferenca de potencial ele y faba como de cebola cultivadas em condigées de casa de trico através da membrana plasmatica da célulaguarda vegetacdio ou camara de crescimento mas negativa hiperpolarizacées dependentes da luz de Uma implicagao dessas caracteristicas osmorregu até 64 mV ja foram medidas Além disso o bombeamento jadoras é que a abertura dos estématos esta associada de protons gera um gradiente de pH de 05 a 1 unidade de primordialmente a absorcao de K e o fechamento a um pH aproximadamente decréscimo no contetudo de sacarose ver Figura 109 O componente elétrico do gradiente de protons fornece fungao das distintas fases osmorreguladoras dominadas uma forca motriz para a absorcao passiva de K através dos por K ou sacarose nao é clara 0 K pode ser 0 soluto de canais de K regulados por voltagem discutidos no Capitu escotha para a abertura didria que ocorre ao nascer do sol lo 6 Acreditase que o cloreto seja absorvido por um trans AQ fase de sacarose pode ser associada 4 coordenacao dos portador de protoncloreto do tipo simporte Assim ambos rovimentos estomaticos na epiderme com taxas de fotos os componentes do gradiente de protons eletroquimico intese no mesofilo gerado pelo bombeamento de protons dependente da luz azul desempenham papéis fundamentais na a captacao de ions para a abertura dos est6matos 25 Abertura estomatica 225 a Os cloroplastos das célulasguarda ver Fi 9 8B 3 gura 101 contém graos de amido grandes Di 20 A 2 175 S ferentemente do que acontece nos cloroplastos 45 A 3 do mesofilo o teor de amido nas célulasguarda 2 a Ss s diminui durante a abertura estomatica na parte g 35 a 15 Conteudo 125 da manha e aumenta durante o fechamento ao E de sacarose 2 2 final do dia O amido um polimero de glicose gCconteudo 25 9 c insoltvel e de elevado peso molecular nao con alee 2 075 a tribui para o potencial osmético da célula mas 2 0 15 a 5 a sua hidrdélise em glicose e frutose e a acumu a 8 gs lagdo subsequente de sacarose ver Figura 108B 5 5 l 025 l causam uma diminuigdo no potencial osmotico f ou aumento da pressdo osmética das células TOT NN guarda No processo inverso a sintese do amido Hora do dia reduz a concentracao de agucar resultando em Figura 109 Andamento diario das mudangas na abertura estomatica e um aumento do potencial osmotico da célula que nos contetidos de potassio e sacarose das célulasguarda de folhas intactas conforme prevé a hipotese de amidoacucar esta de fava V faba Esses resultados indicam que as alteracdes no potencial associado ao fechamento estomatico osmotico necessdrias para a abertura estomatica pela manha sao media Com a descoberta do papel fundamental dos das pelo potassio e por seus contraions enquanto as mudancas que ocor ions potdssio e seus contrafons na osmorregula rem a tarde séo mediadas pela sacarose De Talbott e Zeiger 1998 276 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Onde são originados os solutos osmoticamente ati vos Foram identificadas três importantes rotas metabó licas distintas que podem suprir as célulasguarda com solutos osmoticamente ativos ver Figura 108 1 A absorção de K e Cl do apoplasto acoplados à biossíntese de malato2 dentro das célulasguarda ver Figura 108A 2 A produção de sacarose no citoplasma das células guarda a partir de precursores originários da hidróli se do amido nos cloroplastos dessas células ver Figu ra 108B 3 A produção de sacarose a partir de precursores feita na rota fotossintética de fixação de carbono nos cloro plastos das célulasguarda ver Figura 108C Dependendo das condições uma ou mais rotas osmor reguladoras podem estar ativas Por exemplo durante a abertura estomática estimulada pela luz vermelha em epidermes isoladas de V faba mantidas em concentrações ambientes de CO2 o soluto dominante nas célulasguarda é a sacarose gerada pela rota de fixação fotossintética de carbono nos cloroplastos das célulasguarda sem absor ção detectável de K ou degradação do amido ver Figura 108C No entanto em ar livre de CO2 a fixação fotossin tética de carbono é inibida e a abertura estimulada por luz vermelha está associada ao acúmulo de K ver Figura 108A ver também Tópico 102 na internet Algumas rotas osmorreguladoras incomuns são uti lizadas na natureza Os cloroplastos das célulasguarda da orquídea Paphiopedilum não possuem clorofila Os es tômatos de Paphiopedilum abremse em resposta à luz azul e não mostram a abertura típica estimulada pela luz ver melha Por outro lado os estômatos da pteridófita Adian tum não mostram uma resposta específica à luz azul e se abrem em resposta à luz vermelha As célulasguarda de Adiantum têm um número muito grande de cloroplastos e sua abertura dependente da luz vermelha é bloqueada pela DCMU um inibidor do transporte fotossintético de elétrons Isso indica a participação da fotossíntese das célulasguarda na abertura estimulada pela luz vermelha No entanto os estômatos de Adiantum acumulam K em concentrações ambientes de CO2 e são insensíveis ao CO2 tanto no escuro como sob luz vermelha É intrigante que essas características osmorreguladoras incomuns estejam associadas a um número excepcionalmente grande de clo roplastos nessas célulasguarda Além disso os estôma tos de Adiantum são altamente incomuns em sua falta de sensibilidade à luz azul Em comparação a sensibilidade ao CO2 e à luz azul mostrouse linearmente relacionada à abertura estomática em V faba Esses resultados sugerem que a falta de uma resposta à luz azul e a insensibilidade ao CO2 em Adiantum poderiam estar associadas a um sis tema sensorial de transdução da luz azul defeituoso As características incomuns contrastantes de Paphio pedilum e Adiantum ilustram a notável plasticidade funcio nal das célulasguarda também mostrada em outros estu dos na folha intacta Essas características plásticas incluem aclimatações das respostas à luz azul e ao CO2 e mudanças diárias nas taxas fotossintéticas das célulasguarda Isso é detalhadamente descrito no Ensaio 103 na internet Mediação da fotorrecepção da luz azul em célulasguarda por zeaxantina Estômatos do mutante npq1 quenching não fotoquímico de nonphotochemical quenching de Arabidopsis carecem de uma resposta específica à luz azul Essa especificida de é importantíssima porque como dito anteriormente as célulasguarda têm diferentes mecanismos mediadores da resposta à luz azul O mutante npq1 tem uma lesão na 20 0 40 60 80 100 Tipo selvagem 12 14 16 18 20 22 Taxa de fluência de luz azul μmol m2 s1 Taxa de fluência de luz azul μmol m2 s1 Luz vermelha de fundo 100 μmol m2 s1 Fenda estomática μm Fenda estomática μm 0 5 10 15 20 25 15 35 phot1phot2 npq1 A B Figura 1010 A Sensibilidade à luz azul do mutante npq1 sem zeaxantina e do mutante duplo phot1phot2 sem fototropina As respostas à luz azul são estudadas sob 100 μmol m2 s1 de luz ver melha para impedir a abertura estomática resultante da estimulação da fotossíntese pela luz azul O escuro é mostrado como taxa de fluência zero Nenhum dos mutantes demonstra abertura quando iluminado com 10 μmol m2 s1 de luz azul O mutante phot1phot2 abrese em taxas de fluência mais elevadas de luz azul enquan to o mutante npq1 não demonstra qualquer abertura estimulada pela luz azul Na verdade os estômatos de npq1 fechamse muito provavelmente devido a um efeito fotoinibidor da luz azul adicio nal na abertura induzida pela fotossíntese B Abertura estimulada pela luz azul no tipo selvagem Observe a escala reduzida do eixo y mostrando a magnitude reduzida da abertura dos estômatos de phot1phot2 em comparação com a resposta do tipo selvagem De Talbott et al 2002 Taiz10indd 276 Taiz10indd 276 27102016 144214 27102016 144214 Capítulo 10 Biologia dos Estômatos 277 enzima que converte o carotenoide violaxantina em zea xantina Dos Capítulos 7 e 9 sabese que a zeaxantina é um componente do ciclo da xantofila dos cloroplastos ver Figura 733 o qual protege os pigmentos fotossintéticos do excesso de energia de excitação Além disso a zeaxan tina atua como um fotorreceptor de luz azul nas células guarda mediando a abertura estomática estimulada pela luz azul Evidências convincentes para esse papel da zea xantina vêm da observação de que na ausência de zeaxan tina as célulasguarda de npq1 carecem de uma resposta específica à azulluz Figura 1010 Uma evidência adicional indica ainda que a zeaxanti na é um fotorreceptor de luz azul nas célulasguarda Na abertura diária dos estômatos em folhas intactas a radiação incidente o conteúdo de zeaxantina das célulasguarda e as fendas estomáticas estão intima mente relacionados Figura 1011 O espectro de absorção da zeaxantina Figura 1012 aproximase muito do espectro de ação para a aber tura estomática estimulada pela luz azul ver Figura 104 A sensibilidade das célulasguarda à luz azul aumenta como uma função de sua concentração de zeaxantina A conversão da violaxantina em zeaxantina depen de do pH do lume do tilacoide O bombeamento de prótons na membrana do tilacoide impulsionado pela luz acidifica o compartimento do lume e aumenta a concentração de zeaxantina Figura 1013 Em função dessa propriedade do ciclo das xantofilas as células guarda iluminadas com luz vermelha acumulam zeaxantina Quando as célulasguarda de epiderme destacada tratadas com taxas crescentes de fluência de luz vermelha são expostas a um pulso curto de luz azul a abertura estomática estimulada pela luz azul resultante é linearmente relacionada à taxa de fluên cia do prétratamento de luz vermelha e ao conteúdo de zeaxantina das célulasguarda no momento da aplicação do pulso de luz azul A abertura estomática estimulada pela luz azul é ini bida por 3 mM de ditiotreitol DTT e a inibição é de pendente da concentração A formação de zeaxantina é bloqueada pelo DTT um agente redutor que reduz as pontes SS a grupos SH e inibe efetivamente a enzima que converte a violaxantina em zeaxantina O DTT não bloqueia a abertura estimulada pela luz vermelha A espécie de CAM facultativa Mesembryanthemum crystallinum muda seu metabolismo de carbono de C3 para o modo CAM em resposta ao estresse sali no No modo C3 os estômatos acumulam zeaxantina e abremse em resposta à luz azul A indução de CAM inibe tanto a acumulação de zeaxantina quanto a ca pacidade das célulasguarda de se abrir em resposta à luz azul 10 12 14 0 50 100 150 200 250 8 6 4 2 0 6 h 9 h 12 h 15 h 18 h 21 h 6 h 9 h 12 h 15 h 18 h 21 h Hora do dia Fenda estomática μm Zeaxantina mmol mol1 Chl ab B A Células do mesofilo Células guarda 250 500 750 1000 1250 PPFD μmol m2 s1 Fendas Figura 1011 O conteúdo de zeaxantina das célulasguarda se gue de perto a radiação fotossinteticamente ativa e as fendas es tomáticas A Andamento diário da radiação fotossinteticamente ativa que atinge a superfície foliar traçado vermelho e do conteúdo de zeaxantina das célulasguarda traçado azul e das células do me sofilo traçado verde de folhas de V faba cultivadas em casa de vegetação As áreas brancas dentro do gráfico salientam a sensibili dade contrastante do ciclo da xantofila nos cloroplastos do mesofilo e das célulasguarda sob as baixas irradiâncias que prevalecem no início e no final do dia B Fendas estomáticas nas mesmas folhas utilizadas para a medição do conteúdo celular de zeaxantina PPFD fluxo de fótons fotossintéticos De Srivastava e Zeiger 1995 400 350 02 0 04 06 08 1 450 450 550 Absorbância Comprimento de onda nm Espectro de absorção da zeaxantina Figura 1012 Espectro de absorção da zeaxantina em etanol Cortesia do Professor Wieslaw Gruszecki Taiz10indd 277 Taiz10indd 277 27102016 144214 27102016 144214 278 Unidade II Bioquímica e Metabolismo Reversão por luz verde da abertura estimulada pela luz azul A abertura estimulada pela luz azul é suprimida pela luz verde na região dos 500 a 600 nm do espectro A resposta à luz azul é inibida quando as célulasguarda são estimu ladas simultaneamente com luz azul e verde ver Ensaio 104 na internet A luz verde também reverte a abertura estomática estimulada pela luz azul em experimentos de pulso Figura 1014 Estômatos em epidermes destacadas abremse em resposta a um pulso de luz azul de 30 s e a abertura cessa se o pulso de luz azul for seguido por um pulso de luz verde A abertura reinicia se o pulso de luz verde for seguido por um segundo pulso de luz azul em ATP P Pi ADP ADP ATP NADPH NADP ATP ATP Energia luminosa PPFD Tilacoide granal Percepção da luz azul H H H H H H H K K Cl H Cl ADP Pi ADP Pi ADP Pi ATP sintase Ribulose15 bifosfato Carboxilação Redução Triose fosfato CO2 Concentrações mais altas de CO2 aumentam a taxa de fixação do CO2 alcalinizam o lume e reduzem o conteúdo de zeaxantina da célulaguarda ATP Ciclo de Calvin Benson Violaxantina Zeaxantina npq1 DTT Inativo Regulação do sinal pelo phot1phot2 CLOROPLASTO CITOPLASMA Regeneração Extremidade Cterminal HATPase Ativo H Ciclo da xantofila Figura 1013 Papel da zeaxantina na percepção da luz azul em célulasguarda A concentração de zeaxantina nas célulasguarda varia com a atividade do ciclo da xantofila A enzima que converte a violaxantina em zeaxantina é uma proteína integral do tilacoide que apresenta um pH ótimo de 52 A acidificação do lume esti mula a formação da zeaxantina e a alcalinização favorece a for mação da violaxantina O pH do lume depende da densidade do fluxo de fótons fotossintéticos mais eficientes nos comprimentos de onda azul e vermelho ver Capítulo 7 e da taxa de síntese de ATP a qual consome energia e dissipa o gradiente de pH através do tilacoide Assim a atividade fotossintética dos cloroplastos das célulasguarda o pH do lume o conteúdo de zeaxantina e a sensi bilidade à luz azul têm um papel interativo na regulação da abertura estomática Comparados com seus correspondentes do mesofilo os cloroplastos das célulasguarda são enriquecidos no fotossistema II e possuem taxas de transporte de elétrons muito altas e taxas de fixação fotossintética de carbono baixas Essas propriedades favore cem a acidificação do lume em baixos fluxos de fótons e explicam a formação de zeaxantina no cloroplasto da célulaguarda cedo pela manhã ver Figura 1011 A regulação do conteúdo de zeaxantina pelo pH do lume e a ligação íntima entre o pH do lume e a atividade do ciclo de CalvinBenson no cloroplasto da célulaguarda sugerem que as taxas de fixação de dióxido de carbono no cloroplasto da célulaguarda podem regular as concentrações de zeaxantina e in tegrar a percepção da luz e do CO2 nas célulasguarda ver Ensaio 103 na internet Taiz10indd 278 Taiz10indd 278 27102016 144214 27102016 144214 Capítulo 10 Biologia dos Estômatos 279 uma resposta análoga à reversibilidade vermelhoverme lhodistante das respostas ao fitocromo A reversibilidade da resposta azulverde tem sido descrita em estômatos de epidermes isoladas de várias espécies sendo também ob servada em folhas intactas ver Ensaio 104 na internet Estômatos de folhas intactas de Arabidopsis ilumina dos com luz azul vermelha e verde em uma câmara de crescimento ampliam sua fenda quando a luz verde é des ligada e reduzemna quando a luz verde é ligada nova mente Figura 1015 Essa resposta à luz verde não pode ser mediada pela fotossíntese no mesofilo ou nas células guarda porque seria esperado que os estômatos se fe chassem em resposta à menor taxa fotossintética devido ao sinal de luz verde apagada A abertura mediada pela luz verde não é observada se a luz verde for desligada em experimentos com folhas iluminadas apenas com luz ver melha e verde Assim a resposta de abertura em relação à luz verde é vista somente na presença de luz azul como a observada nos experimentos com epidermes isoladas Uma importante implicação ecofisiológica dessas respos tas estomáticas à luz verde na folha intacta é que seria es perado que os fótons verdes da radiação solar reduzissem a resposta estomática à luz azul sob condições naturais Estômatos do mutante duplo phot1phot2 sem fototro pina respondem à luz azul e se abrem ainda mais quando a luz verde é desligada porém estômatos do mutante npq1 sem zeaxantina não o fazem ver Figura 1015 Esses re sultados indicam que a reversão pela luz verde da resposta à luz azul requer zeaxantina mas não fototropina Um espectro de ação para a reversão no verde da abertura estimulada pela luz azul mostra um máximo em 540 nm e dois picos menores em 490 e 580 nm Figura 1016 Um espectro de ação desse tipo descarta a possi bilidade de envolvimento de fitocromo ou clorofilas Em vez disso esse espectro é notavelmente similar ao espec tro de ação para a abertura estomática estimulada pela luz 10 0 10 20 30 40 Tempo min Abertura estomática Azul Azulverde Azulverdeazul Pulso de luz Figura 1014 Reversibilidade azulverde dos movimentos esto máticos Os estômatos abremse quando é administrado um pulso de 30 s de luz azul 1800 μmol m2 s1 sob luz vermelha contínua de fundo 120 μmol m2 s1 Um pulso de luz verde 3600 μmol m2 s1 aplicado depois do pulso de luz azul bloqueia a resposta à luz azul A abertura é restaurada após a aplicação de um segundo pulso de luz azul dado após o pulso de luz verde De Frechilla et al 2000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 05 00 10 15 20 Tempo min Luz verde Luz vermelha Luz azul Fenda μm 10 15 20 25 Fenda μm Fenda μm 05 20 25 30 35 A Tipo selvagem B npq1 C phot1phot2 Figura 1015 A luz verde regula as fendas estomáticas em folhas intactas Estômatos de folhas intactas de Arabidopsis cultivadas em uma câmara de crescimento sob luz azul vermelha e verde abrem se quando a luz verde é removida e se fecham quando a luz verde é recolocada A luz azul é requerida para a expressão desta sensibi lidade dos estômatos à luz verde Estômatos do mutante npq1 sem zeaxantina deixam de responder à luz verde enquanto estôma tos do mutante duplo phot1phot2 têm uma resposta semelhante àquela do tipo selvagem De Talbott et al 2006 Taiz10indd 279 Taiz10indd 279 27102016 144214 27102016 144214 280 Unidade II Bioquímica e Metabolismo azul deslocado para o vermelho deslocado em direção à banda mais longa de ondas vermelhas do espectro por cerca de 90 nm Deslocamentos espectrais semelhantes para o vermelho foram observados após a isomerização de carotenoides em um ambiente proteico Como discutido anteriormente o espectro de ação para a abertura esto mática estimulada pela luz azul corresponde ao espectro de absorção da zeaxantina ver Figura 1012 Estudos es pectroscópicos mostraram que a luz verde é muito eficaz na isomerização da zeaxantina Essa isomerização muda a orientação da molécula dentro da membrana uma transi ção que seria muito eficaz como um sinal de transdução Um complexo carotenoideproteína detecta a intensidade da luz Um complexo carotenoideproteína que funcione como um sensor da intensidade da luz fornece um sistema mo delo para o fotociclo azulverde em célulasguarda ver Ensaio 105 na internet A proteína carotenoide laranja OCP orange carotenoid protein é uma proteína solúvel as sociada à antena do ficobilissomo do fotossistema II em cianobactérias Lembrese que no Capítulo 7 foi dito que as cianobactérias são bactérias fotossintetizantes comuns em água doce e em ambientes marinhos A OCP é uma proteína de 35 kDa que contém um único carotenoide li gado não covalentemente 3hidroxiequinenona Zeaxan tina e 3hidroxiequinenona têm estruturas químicas in timamente relacionadas e ambas derivam do βcaroteno HO OH O OH Zeaxantina 3hidroxiequinenona A forma ativa da OCP é essencial para a indução de fotoproteção em cianobactérias fotossintetizantes Além disso o fotociclo resultante da interconversão das formas que absorvem luz azul ou verde da OCP atua como um sensor de luz eficaz Essas descobertas sugerem enfaticamente que a re versibilidade da abertura estomática em resposta à ilu minação com pulsos consecutivos de luz azul e verde resulta da operação de um fotociclo Esse fotociclo muito provavelmente é mediado por uma zeaxantina ligada a uma proteína convertida pela luz azul em uma forma fi siologicamente ativa que absorve luz verde e reconvertida pela luz verde em uma forma inativa que absorve luz azul É também de interesse que o quenching da fluorescência estimulado pela luz azul provavelmente associado à foto proteção tem sido observado em cloroplastos de células guarda e coleóptilos das plantas superiores em paralelo com a observação da OCP em cianobactérias Na década de 1940 a descoberta de carotenoides na ponta que detecta a luz azul do coleóptilo ver Tópico 103 na internet sugeriu que os carotenoides que absorvem luz azul seriam os possíveis fotorreceptores desse tipo de luz mas a hipótese foi descartada devido à meiavida mui to curta da molécula de carotenoide excitada A OCP re presenta o primeiro caso claramente documentado de um carotenoide ligado a uma proteína que funciona como um fotorreceptor e de um complexo proteínacarotenoide que percebe a intensidade da luz A notável similaridade entre algumas das propriedades da OCP das cianobactérias e da percepção da luz azul pela zeaxantina no cloroplasto da célulaguarda deve estimular futuras pesquisas em ambos os sistemas O poder de resolução da fotofisiologia Vamos considerar um experimento fictício Você é desig nado para pesquisar a resposta estomática à luz azul em uma nova espécie de planta recentemente descoberta no deserto de Serengeti na África Suponha que como na maioria das espécies de plantas na vida real as células epi dérmicas dessa espécie não têm cloroplastos Uma vez que 400 Abertura estimulada pela luz azul Reversão pela luz verde 350 450 500 550 600 Comprimento de onda nm Taxa inversa de fluência logμmol m2 s11 Figura 1016 Espectro de ação para a abertura estomática es timulada pela luz azul e sua reversão pela luz verde O espectro de ação da abertura estimulada pela luz azul foi obtido em medições da transpiração em função do comprimento de onda em folhas de trigo mantidas sob luz de fundo vermelha O espectro de ação da reversão pela luz verde da abertura estimulada pela luz azul foi cal culado a partir de medições de alterações nas fendas estomáticas de epidermes isoladas de V faba irradiadas com uma taxa de fluên cia constante de luz azul e diferentes comprimentos de onda de luz verde Observe que os dois espectros são semelhantes com o espectro para a reversão pela luz verde deslocado cerca de 90 nm Deslocamentos semelhantes do espectro para o vermelho foram observados após a isomerização de carotenoides em um ambiente proteico Curva da esquerda de Karlsson 1986 curva da direita de Frechilla et al 2000 Taiz10indd 280 Taiz10indd 280 27102016 144214 27102016 144214 Capítulo 10 Biologia dos Estômatos 281 a espécie cresce em um ambiente de luminosidade alta você verifica em primeiro lugar a resposta estomática à luminosidade alta após um período de escuro Você usa um filtro de luz azul com transmissão máxima ao redor de 450 nm e expõe uma folha à luz solar filtrada por esse filtro É possível observar que depois de alguns minutos os estômatos abremse O que você pode dizer sobre a res posta estomática Pode ser que o mesofilo da folha tenha respondido à luz azul com altas taxas de fotossíntese e a concentração intercelular de CO2 tenha decrescido Os es tômatos teriam então aberto em resposta a uma redução no CO2 intercelular Alternativamente os estômatos po deriam ter respondido à luz azul diretamente Você pode distinguir entre as duas possibilidades removendo tiras de epiderme da folha e incubando os estômatos isolados sob luz azul Se os estômatos abremse quando isolados o ex perimento mostra que eles possuem uma resposta direta à luz azul Depois você quer fazer perguntas sobre a natureza dos fotorreceptores das célulasguarda A fotossíntese nos cloro plastos das célulasguarda pode ter mediado a resposta Se fosse esse o caso você poderia obter abertura substituindo a luz azul por luz vermelha Um resultado positivo com luz vermelha envolveria a fotossíntese e você pode confirmar a operação da fotossíntese em célulasguarda incubando os estômatos sob luz azul ou vermelha na presença do inibidor de fotossíntese DCMU ver Figura 728 E se a luz vermelha não deu qualquer resposta Se isso acontecer a fotossíntese pode ser descartada e você pode testar as respostas à luz azul ou à luz vermelhavermelho distante Você pode testar a operação de um fotorreceptor de luz azul verificando se a luz verde inverte a abertura estimulada pela luz azul Alternativamente um fotorre ceptor de luz azul típico mostraria crescente abertura es tomática sob taxas constantes de baixa fluência de luz azul e taxas de fundo de fluência crescente de luz vermelha Uma resposta de fitocromos como aqueles no Tópico 104 na internet poderia ser determinada substituindo se a luz azul de excitação por luz vermelha e em seguida verificandose se a luz vermelhodistante fecha os estô matos e a luz vermelha os reabre Os princípios utilizados nesse experimento mental podem ser aplicados aos resultados de pesquisa Tome mos por exemplo a observação dos resultados extraordi nários mostrados na Figura 1015 sobre experimentos em câmara de crescimento com folhas intactas de Arabidopsis mostrando que os estômatos das folhas iluminadas com luz azul vermelha e verde se abrem quando a luz verde é desligada e se fecham quando a luz verde é ligada no vamente Poderíamos estar lidando com uma resposta induzida pela fotossíntese nesse experimento Isso é im provável pois a fluência total da luz diminuiu quando a luz verde foi desligada porém a abertura estomática au mentou No entanto ligando ou desligando a luz verde na presença de somente luz vermelha não houve qualquer alteração nas fendas estomáticas indicando que a luz azul é necessária para a resposta à luz verde e que estamos pro vavelmente lidando com a ciclagem azulverde Uma análise fotofisiológica também pode ser muito útil para a interpretação dos resultados de pesquisa Por exemplo o mutante duplo phot1phot2 sem fototropina responde à luz verde em experimentos com luz verde azulvermelha com uma pequena mas totalmente re produtível abertura No entanto o mutante sem zea xantina npq não responde à luz verde Esses resulta dos têm implicações importantes Ambos phot1phot2 e npq1 têm lesões em seus mecanismos sensoriais de transdução associados a suas respostas à luz azul e ao ciclo azulverde e ainda phot1phot2 responde à luz ver de enquanto npq1 não Isso indica que a lesão genética no npq1 desativou o ciclo azulverde enquanto a respos ta em phot1phot2 parece inalterada Em uma publicação de 2013 sobre phot1phot2 KenIchiro Shimazaki e cola boradores discutem como as fototropinas estão associa das a várias respostas de luz azul sem uma cascata sen sorial de transdução comum É a cascata npq1 diferente partilhando a sensibilidade à luz azul mas ressaltando componentes diferentes A análise fotofisiológica pode ajudar a entender essas questões A resposta específica à luz azul pode ser reverti da pela luz verde o componente azul da resposta fotossin tética é bloqueado por luz vermelha saturante e a resposta do fitocromo é reversível pela luz vermelhodistante Apli cações dessas abordagens foram ilustradas anteriormente Por exemplo os resultados obtidos mostraram que a aber tura estomática estimulada pela luz azul observada no mutante de Arabidopsis npq1 não pode ser revertida pela luz verde mas é revertida pela luz vermelhodistante in dicando que o fotorreceptor envolvido é o fitocromo Por outro lado a abertura estimulada pela luz azul observada com estômatos de phot1phot2 é reversível pela luz verde indicando que um fotorreceptor específico para a luz azul está mediando a resposta Esses resultados excitantes ilustram como a utilização de mutantes genéticos bem definidos combinados com ferramentas fisiológicas de alta resolução pode respon der a muitas questões não resolvidas da fotobiologia das célulasguarda Taiz10indd 281 Taiz10indd 281 27102016 144215 27102016 144215 282 Unidade II Bioquímica e Metabolismo RESUMO Os estômatos são características estruturais da maioria das plan tas Cada estômato consiste em uma fenda microscópica que permite a comunicação entre o interior da folha e o ambiente externo e um par de célulasguarda que circundam a fenda As célulasguarda podem ser ladeadas por células subsidiárias es pecializadas que as distinguem das demais células epidérmicas Célulasguarda respondem a sinais ambientais alterando suas dimensões regulando assim o tamanho da fenda estomática Estômatos são uma adaptação crucial para evitar a dessecação eles se fecham quando a água é limitante e se abrem em condi ções que favoreçam a fotossíntese A força motriz para os movi mentos estomáticos é a pressão de turgor Abertura estomática dependente da luz A luz é o estímulo dominante que causa a abertura estomática As duas principais forças motrizes para a abertura estomática dependente da luz são a fotossíntese nos cloroplastos das célu lasguarda e uma resposta específica à luz azul Um inibidor do transporte de elétrons na fotossíntese a DCMU também inibe a abertura estomática indicando que o processo fotossintético desempenha um papel na abertura dos estôma tos A inibição no entanto é apenas parcial ou seja outros mecanismos de abertura devem estar ativos Um importante segundo mecanismo é uma resposta estomática específica à luz azul Figura 101 Pesquisadores usam experimentos de feixe duplo para estudar a resposta estomática à luz azul Um espectro de ação para a resposta estomática à luz azul obtido sob luz vermelha saturada mostra um padrão característico de três picos Figuras 103 104 Movimentos estomáticos estimulados pela luz são movidos por mudanças na regulação osmótica das célulasguarda A luz azul estimula uma HATPase na membrana plasmática da célula guarda gerando um gradiente eletroquímico que induz a ab sorção de íons Figuras 105107 A luz azul também estimula a degradação do amido e a bios síntese do malato A acumulação de sacarose e K e seus con traíons dentro das célulasguarda conduz à abertura estomática Figura 108 Cloroplastos de célulasguarda em geral contêm grandes grãos de amido Diferente do que acontece nos cloroplastos do me sofilo o teor de amido nos cloroplastos das célulasguarda diminui durante a abertura estomática na parte da manhã e aumenta durante o fechamento no final do dia A qualidade da luz pode alterar a atividade das diferentes ro tas osmorreguladoras que modulam os movimentos estomá ticos A abertura estomática está principalmente associada à captação de K O fechamento estomático está associado à uma perda de K e a um decréscimo no teor de sacarose Figura 109 Mediação da fotorrecepção da luz azul em célulasguarda por zeaxantina O carotenoide do cloroplasto zeaxantina tem sido implicado na fotorrecepção da luz azul nas célulasguarda Figura 1010 A abertura diária dos estômatos a radiação incidente o con teúdo de zeaxantina na célulaguarda e as fendas estomáticas estão intimamente relacionados Figura 1011 O espectro de absorção da zeaxantina é igual ao espectro para a abertura estomática estimulada pela luz azul Figuras 104 1012 A abertura estomática estimulada pela luz azul é bloqueada se a acumulação de zeaxantina nas célulasguarda for bloqueada A manipulação do conteúdo de zeaxantina em célulasguarda permite a regulação de sua resposta à luz azul Figura 1013 Reversão por luz verde da abertura estimulada pela luz azul A resposta à luz azul apresentada pelas célulasguarda é rever tida pela luz verde Figura 1014 A reversibilidade da resposta estomática à luz azul pela luz verde pode ser observada na folha intacta indicando que essa modulação da resposta estomática tem implicações funcionais sob condições naturais Figura 1015 O mutante npq1 sem zeaxantina não mostra reversibilidade azulverde indicando que a zeaxantina é necessária para a res posta Mutantes sem fototropina mostram reversibilidade azul verde normal O espectro de ação da reversão do verde assemelhase ao es pectro de ação da abertura estimulada pela luz azul e ao espec tro de absorção da zeaxantina Figura 1016 Um complexo de proteínacarotenoide em cianobactéria a proteína carotenoide laranja OCP mostra reversibilidade azul verde e funciona como um sensor de luz A OCP fornece um modelo molecular para a detecção de luz azul por zeaxantina em célulasguarda O poder de resolução da fotofisiologia Os princípios fotofisiológicos adicionam excelente poder de diagnóstico para a análise da pesquisa com célulasguarda Por exemplo a resposta específica à luz azul pode ser revertida pela luz verde o componente azul da resposta fotossintética é blo queado por luz vermelha saturante e a resposta do fitocromo é reversível pela luz vermelhodistante Abertura estomática esti mulada por luz azul observada no mutante npq1 de Arabidopsis não pode ser revertida pela luz verde mas é revertida pela luz vermelhodistante indicando que o fotorreceptor envolvido é o fitocromo Por outro lado a abertura estimulada por luz azul observada em estômatos phot1phot2 é reversível pela luz verde indicando que um fotorreceptor de luz azul específico medeia a resposta Taiz10indd 282 Taiz10indd 282 27102016 144215 27102016 144215 Capítulo 10 Biologia dos Estômatos 283 Leituras sugeridas Assmann S M 2010 Hope for Humpty Dumpty Systems biology of cellular signaling Plant Physiol 152 470449 Frechilla S Zhu J Talbott L D and Zeiger E 1999 Stomata from npq1 a zeaxanthinless Arabidopsis mutant lack a specific response to blue light Plant Cell Physiol 40 949 954 Frechilla S Talbott L D Bogomolni R A and Zeiger E 2000 Reversal of blue lightstimulated stomatal opening by green light Plant Cell Physiol 41 171176 Iino M Ogawa T and Zeiger E 1985 Kinetic properties of the blue light response of stomata Proc Natl Acad Sci USA 82 80198023 Karlsson P E 1986 Blue light regulation of stomata in wheat seedlings II Action spectrum and search for action dichroism Physiol Plant 66 207210 Kirilovsky D and Kerfeld C A 2013 The orange carotenoid protein A bluegreen light photoactive protein Photochem Photobiol Sci 12 11351143 Lawson T 2009 Guard cell photosynthesis and stomatal function New Phytol 181 1334 Milanowska J and Gruszecki W I 2005 Heatinduced and lightinduced isomerization of the xanthophyll pigment zeaxanthin J Photochem Photobiol B 80 178186 Punginelli C Wilson A Routaboul J M and Kirilovsky D 2009 Influence of zeaxanthin and echinenone binding on the activity of the orange carotenoid protein Biochim Biophys Acta 1787 280288 Roelfsema M R G Steinmeyer R Staal M and Hedrich R 2001 Single guard cell recordings in intact plants Light induced hyperpolarization of the plasma membrane Plant J 26 113 Roelfsema M R G and Kollist H 2013 Tiny pores with a global impact New Phytol 197 1115 Spalding E P 2000 Ion channels and the transduction of light signals Plant Cell Environ 23 665674 Srivastava A and Zeiger E 1995 Guard cell zeaxanthin tracks photosynthetic active radiation and stomatal apertures in Vicia faba leaves Plant Cell Environ 18 813 817 Talbott L D Zhu J Han S W and Zeiger E 2002 Phytochrome and blue lightmediated stomatal opening in the orchid Paphiopedilum Plant Cell Physiol 43 639646 Talbott L D Shmayevich I J Chung Y Hammad J W and Zeiger E 2003 Blue light and phytochrome mediated stomatal opening in the npq1 and phot1 phot2 mutants of Arabidopsis Plant Physiol 133 15221529 Talbott L D Hammad J W Harn L C Nguyen V Patel J and Zeiger E 2006 Reversal by green light of blue light stimulated stomatal opening in intact attached leaves of Arabidopsis operates only in the potassium dependent morning phase of movement Plant Cell Physiol 47 333 339 Zeiger E Talbott L D Frechilla S Srivastava A and Zhu J X 2002 The guard cell chloroplast A perspective for the twentyfirst century New Phytol 153 415424 MATERIAL DA INTERNET Tópico 101 Percepção da luz azul e gradientes de luz Gradientes de luz dentro dos órgãos podem servir como meca nismos sensores Tópico 102 Osmorregulação das célulasguarda e um in terruptor metabólico ativado pela luz azul A luz azul con trola as principais rotas osmorreguladoras nas célulasguarda e nas algas unicelulares Tópico 103 O cloroplasto do coleóptilo Cloroplastos de coleóptilo e de célulasguarda especializamse em transdução sensorial Tópico 104 Respostas mediadas pelo fitocromo nos es tômatos Estudos com a orquídea Paphiopedilum e o mutante de Arabidopsis sem zeaxantina npq1 mostram que o fitocromo regula os movimentos estomáticos Ensaio 101 Fotossíntese das célulasguarda A fotossínte se nas célulasguarda mostra características reguladoras únicas Ensaio 102 Metabolismo de sacarose em célulasguar da A sacarose está envolvida na função estomática por sua ação como um agente osmótico e substrato Ensaio 103 A plasticidade das célulasguarda A plastici dade funcional notável das célulasguarda molda nosso conhe cimento sobre a função dos estômatos Ensaio 104 A reversibilidade azulverde da resposta dos estômatos à luz azul As respostas das célulasguarda à luz azul e verde estimulam um fotociclo exclusivo Ensaio 105 A proteína carotenoide laranja Uma proteína fotorreceptora única mede o tempo e utiliza um cromóforo ca rotenoide Taiz10indd 283 Taiz10indd 283 27102016 144215 27102016 144215