1.4 Discussão
1.4.2 Eficiência e proficiência de remobilização de nutrientes
Como mencionado anteriormente, os campos rupestres estão situados sobre solos severamente empobrecidos e assim, as espécies presentes nestes locais apresentam mecanismos para o uso eficiente de nutrientes limitantes. Um atributo importante no estudo da eficiência de uso de nutrientes é a remobilização de nutrientes foliares (Killingbeck 1996). A remobilização consiste no transporte por fluxo de massa, através de diferenças de pressão hidrostática, criada pelo carregamento do floema nos tecidos fonte e descarregamento nos tecidos dreno, que resulta na diminuição da quantidade de nutrientes em tecidos senescentes (Killingbeck 1986). A eficiência de remobilização varia de acordo com diversos parâmetros, como a disponibilidade de nutrientes no solo do local onde a espécie é nativa (Hayes et al. 2014), a forma de crescimento (espécies decíduas e espécies sempre-verdes) e depende do nutriente considerado (Hayes et al. 2014). O nitrogênio participa de muitos compostos estruturais das folhas, como proteínas da parede celular, que não são degradados durante o processo de senescência das folhas e que, por isso, não podem ser remobilizados. Enquanto que o fósforo está presente majoritariamente em compostos metabólicos, que podem ser degradados durante o processo de senescência e remobilizados para tecidos dreno (Hayes et al. 2014). Dessa forma, valores máximos de eficiência de remobilização de fósforo são maiores do que para o nitrogênio, o que foi corroborado nesse estudo.
As espécies estudadas não diferiram quanto a eficiência de remobilização de nitrogênio e todas apresentaram níveis bastante altos de remobilização de fósforo, no entanto, as duas espécies que mantiveram funcionalmente ativas na seca apresentaram maior eficiência de remobilização de P. A alta eficiência observada na remobilização de P nas três espécies é esperada devido aos solos severamente empobrecidos em P onde as espécies ocorrem (Oliveira et al. 2015). Com a maior eficiência de remobilização, cada indivíduo fica menos dependente da aquisição deste nutriente limitante no solo (Killingbeck 1996). As duas espécies que apresentaram maior eficiência de remobilização (B. flava e V. nivea), senesceram folhas concomitantemente com a produção de novas folhas, apresentando assim, drenos durante a senescência de folhas, que podem contribuir para a maior remobilização (Pugnaire e Chapin 1992). Ao contrário, B. macrantha, estava dessecada durante a estação seca e, portanto, funcionalmente inativa. Por isso, essa espécie não produziu novas folhas nesse período, e não possuía drenos durante a senescência das folhas.
A eficiência de remobilização de N e de P das três espécies de Velloziaceae foi bastante alta comparada com espécies de cerrado sensu estrito. A eficiência de remobilização de N em 10 espécies mais abundantes de cerrado sensu estrito na reserva do IBGE em Brasília
variou entre 22% e 37% para Styrax ferrugineus e Cariocar brasiliensis respectivamente (Nardoto et al. 2006), enquanto que as três espécies de Velloziaceae apresentaram valores sempre acima de 45% com máximo de 76%. No mesmo estudo de Nardoto em 2006, a eficiência de remobilização de P variou entre 39% em Styrax ferrugineus e 70% em Dalbergia
miscolobium, enquanto que as três espécies de Velloziaceae variaram de 85% em B. macrantha
e o máximo de 95% em B. flava.
Dentre as espécies estudadas, B. macrantha apresentou menor proficiência de remobilização, isso pode estar ligado ao fato, citado acima, de que esta espécie ocorre diretamente sobre rochas e assim poderia adquirir nutrientes diretamente delas, sendo essas rochas uma fonte com concentrações maiores de P se comparado ao solo.
1.4.3 Dinâmica de carboidratos
A dinâmica de carboidratos também diferiu entre as espécies. B macrantha foi a que apresentou maior aumento nas concentrações de amido e açúcares totais, principalmente nas folhas na época seca, enquanto que V. nivea apresentou diferenças apenas nos açúcares solúveis no caule e B. flava apresentou diferenças apenas no caule, na concentração de amido e açúcares totais. No início do período de seca, é esperado que a concentração de carboidratos não estruturais aumente nos tecidos, uma vez que a diminuição na disponibilidade de água limita primeiramente o crescimento e depois a fotossíntese (McDowell 2011). Quando a seca se estende por períodos prolongados, ela pode afetar negativamente a fotossíntese e a concentração de carboidratos não estruturais tende a diminuir gradativamente com o tempo até que se esgote ou até que o período chuvoso comece novamente (Sala et al. 2010, McDowell 2011).
Para B. macrantha observamos o aumento gradativo de amido nas folhas durante o período de seca. Para esta espécie, o acúmulo de amido nas folhas tem papel importante pois contribui para a sobrevivência, e serve de fonte de energia durante o processo de ressurgência das folhas (Xu et al. 2010), quando a planta necessita de energia para as reações que acontecem durante a reorganização celular e reconstrução do aparato fotossintético (Farrant et al. 2007). Observamos também um aumento de açúcares solúveis nas folhas e no caule durante o início da estação seca (junho). O acúmulo destes açúcares, como a sacarose, em espécies tolerantes à dessecação tem sido proposto como um mecanismo para proteger a estrutura das células desidratadas (Ingram e Bartels 1996). Esse acúmulo está relacionado tanto com a estabilização de membranas e proteínas (Crowe et al. 1986), como no processo de vitrificação na folha, que trata-se do acúmulo de açúcares para estabilizar e manter a estrutura interna das células
(Ghasempour et al. 1998). Em agosto (estação seca), ocorreu a floração desta espécie, e concomitante queda nas concentrações de açúcares solúveis nas folhas e no caule. Isso pode indicar que os açúcares solúveis são também fonte para produção de novos tecidos, em um período de escassez de recursos.
Em B. flava também observamos variações nos CNE no caule, no entanto, nesta espécie a concentração de amido decresceu no caule durante o período de seca. O uso de amido na folha durante a seca pode estar relacionado a sua hidrólise em açúcares osmoticamente ativos, o que leva a uma absorção de água no tecido, contribuindo para a manutenção do turgor das células do tecido (O’Brien et al. 2014).
Vellozia nivea não apresentou variações na concentração de CNE, exceto pelo aumento
da concentração de açúcares solúveis no caule do primeiro ao quarto mês de coleta. Estes resultados são intermediários às outras duas espécies. Esta espécie provavelmente diminuiu suas atividades ao longo da seca, assim não utilizou suas reservas para manter o crescimento, e também não dessecou sua parte vegetativa. Dessa forma, não precisou alocar carboidratos não estruturais para a manutenção da integridade das células de folhas dessecadas, permanecendo com concentrações constantes de CNE nos tecidos.
As três espécies de Velloziaceae estudadas exibiram uma diversidade de respostas com relação ao estoque e uso de carboidratos não estruturais ao longo da seca. Essas diferenças são devidas à complexidade dos fatores que envolvem o uso e produção de carboidratos não estruturais. Primeiro, o substrato em que cada espécie ocorre implica em capacidades diferentes de retenção de água, o que resulta em uma exposição à seca em diferentes momentos e velocidades. Dessa forma, espécies que ocupam locais onde o solo é inexistente, como B.
macrantha, devem investir em estratégias para sobreviver a eventos rápidos de disponibilidade
de água, mantendo a integridade dos tecidos mesmo quando dessecados. Enquanto que espécies que ocorrem em manchas de solo, devem investir em estratégias para sobreviver à diminuição gradual da água no solo, protegendo seus tecidos da perda constante de água. Segundo, as espécies podem diferir com relação ao uso de água, regulando a abertura estomática a fim de balancear o ganho de carbono e o uso da água. As espécies que ficam ativas apenas no período chuvoso precisam aproveitar este tempo para crescer e para tal, necessitam de altas taxas fotossintéticas. Já espécies que permanecem ativas mesmo no período seco, precisam regular a perda de água na falta de chuvas por meio de regulação da abertura estomática e provável diminuição das taxas fotossintéticas.
1.5 Conclusão
A dinâmica de P e N variou entre as espécies estudadas, sendo mais conservativa em B. macrantha do que nas demais espécies. Todas as espécies apresentaram alta eficiência de uso de nutrientes, com níveis de eficiência e proficiência de remobilização comparáveis a espécies nativas de locais severamente empobrecidos em nutrientes (Hayes et al. 2014; Oliveira et al. 2015). B. flava apresentou maior eficiência de aquisição e de uso de nutrientes e maior eficiência de remobilização de P (95%) enquanto que B. macrantha apresentou maior concentração de nutrientes foliares. Com relação aos carboidratos não estruturais, as espécies também apresentaram respostas contrastantes. B. macrantha aumentou a concentração de amido durante a seca, enquanto que B. flava teve maior aumento de açúcares solúveis e mais uma vez V. nivea apresentou respostas intermediárias às duas espécies, sem variações significativas na concentração destes carboidratos. Desta forma, as espécies da família Velloziaceae apresentam uma diversidade de estratégias para sobrevivência nos campos rupestres, e não apenas duas estratégias bem definidas como sempre-verdes e ressurgentes.
Capítulo 2
Aquisição e uso diferencial de água em duas espécies de Velloziaceae
com estratégias contrastantes para sobreviver a estação seca nos
Campos Rupestres
2.0 Resumo
Os campos rupestres são caracterizados como ambientes sazonais, com uma estação seca marcante, restringindo apenas 10% da precipitação anual de maio a setembro. No entanto, apesar da baixa disponibilidade de água, é comum a ocorrência de orvalho na superfície das folhas. Nestes ambientes encontramos plantas com diferentes estratégias para sobreviver ao período seco, podendo evadir, evitar ou tolerar a seca. Dentre as espécies que toleram a seca, algumas espécies se mantêm sempre-verdes durante a seca, enquanto outras são ressurgentes, pois toleram a dessecação de sua parte vegetativa e após eventos de chuva retomam as atividades metabólicas. Nestes locais, as previsões são de secas mais intensas e severas, que podem acarretar à mortalidade de grande parte dos indivíduos das comunidades vegetais. O objetivo principal do trabalho foi testar a resposta de duas espécies de Velloziaceae com estratégia contrastantes, Vellozia nivea (ressurgente) e Vellozia intermedia (sempre-verde), ao efeito da limitação hídrica e também a contribuição relativa da neblina/orvalho como fontes alternativas de água. Organizamos um experimento em casa de vegetação com três tratamentos, o controle, a seca e o de nebulização. Ao longo das semanas do experimento fizemos medições fisiológicas como taxa fotossintética, condutância estomática, potencial hídrico na madrugada e ao meio dia e também o conteúdo relativo de água nas folhas. Medimos também a temperatura e umidade relativa do ar na casa de vegetação e a disponibilidade de água no solo. As duas espécies apresentaram respostas diferentes à variação na disponibilidade de água no solo. Enquanto a espécie ressurgente apresentou respostas mais rápidas às variações na limitação de água no solo, a espécie sempre-verde apresentou respostas mais lentas, caracterizando as estratégias oportunistas e conservativas de uso de água. Com o tratamento de nebulização, a espécie ressurgente permaneceu com a folhas expandidas por mais tempo, evidenciando possível absorção de água pelas folhas. Por fim, os resultados deste trabalho evidenciam uma maior sobrevivência das espécies ressurgentes em cenários de secas extremas e também a importância de fontes alternativas de absorção de água para retardar o processo de dessecação nestas espécies.
2.1 Introdução
Em ambientes sazonais, marcados por uma estação seca bem definida, plantas desenvolveram diversas estratégias para lidar com a limitada disponibilidade hídrica, apresentando meios de evadir, evitar ou tolerar a perda de água (Moore et al. 2008). Espécies que evadem a seca, restringem o seu período de crescimento e reprodução durante a estação chuvosas e sobrevivem a estação seca com sementes tolerantes à dessecação (Bewley 1979). Outras espécies evitam a seca utilizando diferentes estratégias, postergando ou prevenindo os danos do estresse tais como, estocando água em tecidos modificados para uso durante o período de escassez ou investindo em raízes profundas que garantiriam o acesso a água em camadas profundas do solo durante a estação seca (Delzon 2015).
Podemos encontrar ainda, espécies que são tolerantes à seca, que possuem sistema vascular resistente à desidratação, capazes de suportar potenciais hídricos mais negativos, através de vasos resistentes à cavitação e manutenção do turgor celular (Delzon 2015). Essas podem ser tanto espécies tolerantes à seca, mas não tolerantes à dessecação (NTD) quanto espécies tolerantes à dessecação ou ressurgentes (TD). Espécies NTD evitam a desidratação do protoplasma durante a seca. Muitas adaptações de espécies NTD para evitar a perda de água têm sido identificadas nas folhas, como, por exemplo, poucos e pequenos estômatos restritos a criptas estomáticas, rápido fechamento estomático durante a seca, folhas com epiderme bastante cerosa e desenvolvimento de mesofilo paliçádico. No caule, os tecidos vasculares podem apresentar uma alta resistência do fluxo de água e consequente resistência do xilema a cavitação (Lambers et al. 2001).
Por outro lado, TD é a capacidade que o protoplasto de determinadas espécies apresentam de tolerar perdas severas de água (Moore et al. 2008). Espécies TD podem perder até 95% do seu conteúdo relativo de água e com apenas 10mm de chuva são capazes de se reidratar completamente (Gaff e Oliver 2013) e restabelecer os mesmo níveis de taxa fotossintética apresentados antes do estado de dessecação. Parece não haver um limite de ciclos de seca e reidratação que estas espécies suportam e devido a esses ciclos de dessecação e reidratação, essas espécies são conhecidas como plantas de ressurreição, ou ressurgentes (Gaff e Oliver 2013). Durante o período de dessecação extrema, as espécies ressurgentes precisam superar três principais categorias de estresses: (1) mecânicos, associados com perda de turgor; (2) perda da integridade da membrana, e (3) estresse oxidativo, relacionado à interrupção do metabolismo.
Em nível celular, a perda de água dos vacúolos e citoplasma causa tensão no plasmalema levando à compactação das organelas e moléculas e à ruptura dos plasmodesmas, permitindo a entrada de hidrolases extracelulares, que pode resultar em dano letal e morte celular. São conhecidos três mecanismos para evitar estresses mecânicos: (a) dobramento ativo e reversível da parede celular como visto em Craterostigma (Farrant et al. 2007); (b) aumento da vacuolização com a substituição de água por substâncias não aquosas (acúmulo de osmolitos como açúcares e prolina), como observado em Xerophyta (Velloziaceae) (Farrant 2000) e, (c) acúmulo de cálcio na parede celular, para formar estruturas rígidas e estabilizar a arquitetura da parede celular (Moore et al. 2008). Algumas espécies podem apresentar duas ou mais destas estratégias em tecidos diferentes, corroborando a ideia de que estes mecanismos não são espécie-específicos.
Em consequência da contínua perda de água durante a dessecação, o conteúdo citoplasmático se torna cada vez mais viscoso o que favorece interações moleculares que levam a desnaturação de proteínas e fusão de membranas. Alguns solutos, como a trealose, sacarose e proteínas LEA (“late embriogenesis abundant”), têm sido destacados como preventivos contra as interações moleculares. Em consequência da perda de água inicial, os açúcares são preferencialmente excluídos de proteínas e de membranas, este processo permite que as macromoléculas sejam revestidas por uma camada de água que proporciona hidratação e mantêm a conformação original. Quando ocorre a perda desta camada de água, após maior dessecação, as moléculas de açúcares desempenham um papel de substituição da água, ligando às proteínas e lipídeos da membrana via interações com hidrogênio (Vicré et al. 2004).
O estresse oxidativo é o resultado da interrupção do transporte de elétrons induzida pela dessecação, que leva a produção de radicais livres ou espécies reativas de oxigênio principalmente nas mitocôndrias e cloroplastos (Farrant 2000). Radicais livres são moléculas com elétrons não pareados, que podem ser rapidamente doados e que por isso são muito reativos e podem causar danos a ácidos nucléicos, polissacarídeos, proteínas e lipídeos de membrana. Espécies TD apresentam diversos mecanismos de proteção, que variam entre as espécies.
As espécies TD ocorrem no sul e leste da África, leste da América do Sul e no Oeste da Austrália em habitats com precipitação esporádica, incluindo os campos e afloramentos rochosos e zonas áridas dentro de áreas tropicais e subtropicais (Porembski e Barthlott 2000). Os campos rupestres do Brasil são um centro de alta diversidade de espécies vasculares que apresentam tolerância à dessecação (Oliveira e Marquis 2002). Uma família importante e prevalente nos campos rupestres é a Velloziaceae. Cerca de 80% das suas espécies são encontradas na América do Sul. Além da diversidade de espécies, há uma diversidade
morfológica e funcional nessa família, onde há espécies tanto tolerantes a dessecação (TD) quanto sempre-verdes (NTD) (Mello-Silva et al. 2011, Alcantara et al. 2015).
O campo rupestre é caracterizado por uma forte sazonalidade, na qual 90% das chuvas se concentram na estação chuvosa (Madeira e Fernandes 1999). A estação seca é bem definida entre os meses de maio a setembro de cada ano. No entanto, há registros de ocorrência de formação de orvalho na superfície das folhas durante a seca sazonal (Madeira e Fernandes 1999). O aporte de água por neblina e orvalho tem sido apontado como uma importante contribuição hídrica para as plantas para manter o turgor celular e para evitar a perda de condutividade em muitos ecossistemas, como nas florestas de sequóias na Califórnia (Burgess & Dawson, 2004), matas nebulares em diversas regiões do mundo (Eller et al., 2013, Oliveira et al. 2014) e também nos campos rupestres (Oliveira et al. 2005). No campo rupestre, especificamente, foi mostrado a capacidade de absorção de água da neblina pela parte aérea e a reversão do fluxo de seiva ema uma espécie de Velloziaceae, Vellozia flavicans (Oliveira et al. 2005). As espécies de Velloziaceae apresentam o caule revestido pela bainha das suas folhas e permeado por raízes adventícias cobertas por velame (Owoseye & Sanford, 1972), que podem absorver a água da neblina, orvalho e outras fontes de água (Oliveira et al. 2005). No entanto, não se sabe sobre a contribuição e importância de fontes alternativas de água (e.g. neblina e orvalho) para a manutenção do funcionamento de espécies de Velloziaceae que apresentam diferentes estratégias para sobreviver a seca (TD e NTD).
Em relação as estratégias de aquisição e uso de água, espécies de ambiente sazonal, como mencionado, precisam lidar com a demanda conflitante de regulação de perda de água e a absorção de carbono. Espécies conservativas geralmente apresentam um uso eficiente do recurso, otimizando a eficiência de uso de água por carbono fixado. Outras espécies apresentam um comportamento mais oportunista de uso de água, mantendo um funcionamento ótimo apenas quando os recursos estão amplamente disponíveis (Peñuelas et al., 2011, Moreno- Gutiérrez et al., 2013). A principal resposta ecofisiológica das espécies TD a seca é a cessação da assimilação de carbono devido à dessecação. A absorção de água diretamente da atmosfera (Oliveira et al. 2005), poderia adiar o processo de dessecação, mantendo as trocas gasosas e consequente ganho de carbono pelas espécies TD por mais tempo na estação seca.
Eventos de mortalidade em resposta a seca têm sido amplamente documentados em vegetações florestais ao redor do mundo (Allen et al. 2010). As hipóteses sobre as causas de mortalidade têm sido relacionadas a falhas no funcionamento hidráulico e também privação de carbono (McDowell et al. 2008; McDowell 2011). Nestes ambientes, com espécies que apresentam uma diversidade de estratégias para sobreviver à seca, a composição da comunidade
pode mudar em resposta a eventos severos de seca, interferindo na abundância relativa de cada espécie, como já observado para outras comunidade vegetais (Mueller et al. 2005). No entanto, pouco se sabe sobre os possíveis efeitos de seca extrema em espécies com diferentes estratégias em vegetações campestres, como os campos rupestres.
Testar o efeito da limitação hídrica e de fontes alternativas na absorção de água em espécies congenéricas que apresentam estratégias contrastantes fornecerá subsídios para entender sobre as possíveis respostas de um importante grupo frente às mudanças climáticas. Portanto, o objetivo do trabalho foi estudar os efeitos da limitação hídrica em duas espécies de Velloziaceae com estratégia contrastantes, Vellozia nivea (ressurgente) e Vellozia intermedia (sempre-verde), e também a contribuição relativa da neblina/orvalho como fontes alternativas de água. Esperamos que a espécie sempre-verde apresente uma estratégia restritiva no uso de água, ou seja, que apresente alta regulação estomática para evitar a perda de água e aumente a eficiência de uso de água para evitar a dessecação do tecido vegetativo. Para a espécie ressurgente, esperamos uma estratégia oportunista, utilizando mais água quando há bastante disponibilidade hídrica e inicie rapidamente o processo de dessecação quando o solo e a atmosfera estiverem secos. Já no tratamento com neblina, esperamos que esse aporte de água seja mais importante para a espécie ressurgente, retardando o processo de dessecação, e maximizando o tempo que fica ativa. Para a espécie sempre-verde esperamos que a eficiência de uso de fontes alternativas de água pela parte área seja menor e não contribua para a manutenção da parte aérea durante a seca no solo quando comparada a espécie TD.