De forma geral os jatobás Hymenaea stigonocarpa e H. courbaril responderam de maneira semelhante à elevação da concentração atmosférica de CO2. Entretanto, as respostas foram mais
contundentes em H. stigonocarpa, que apresentou diferenças significativas em doze dos dezessete parâmetros analisados, ao passo que H. courbaril, em seis parâmetros (Tabela 2). Efeitos sobre o crescimento.
Após 100 dias de exposição, foram obtidas medidas de altura total das plântulas, da área do primeiro par de folíolos e de segmentos do caule – epicótilo, hipocótilo e primeiro entrenó. À exceção da última estrutura, houve relação direta entre crescimento e concentração elevada de
CO2, mas somente em H. stigonocarpa o crescimento foi estatisticamente significativo (Tabela 2
e Figura 10).
Crescimento pode ser definido como incremento em massa seca, volume, comprimento ou em área de um organismo ou de partes dele (Lambers et al., 1998); em outras palavras, como medida do ganho de recursos do meio (Bloom et al., 1985). Plantas expostas à elevada [CO2] apresentam
aumento de crescimento e de eficiência no uso da água (Amthor, 1995), além de taxas fotossintéticas maiores (Hikosaka et al., 2005), e mudanças metabólicas, como as decorrentes de maior disponibilidade de carbono, podem conduzir a alterações estruturais.
A capacidade dos vegetais em responder a níveis elevados de CO2 na atmosfera tem, em
características fisiológicas como eficiência fotossintética e uso da água, importantes elementos de adaptação. De igual importância, entretanto, estão as adaptações estruturais, posto que elas, muitas vezes, são condição indispensável para uma resposta fisiológica efetiva.
Um exemplo que esclarece com precisão o exposto acima está na plasticidade apresentada por muitas plantas no que diz respeito a crescimento em altura e aumento de área foliar. Maior tamanho de folhas e da planta, com conseqüente melhor posicionamento das folhas para captura de luz, pode gerar efeitos positivos para a espécie no processo de competição por espaço e luminosidade, independente de maiores taxas fotossintetizantes ou de acúmulo de biomassa (Diaz, 1995). Teugels et al. (1995) lembram que os recursos adquiridos pelas plantas, como água, nutrientes, luz e CO2, dependem da capacidade do vegetal em aumentar o número, o tamanho e a
eficiência dos órgãos pelos quais os recursos são adquiridos, definindo seu sucesso no meio. Assim, a morfogênese vegetal, essencialmente governada pela soma dos efeitos ambientais e de
características genéticas, define a habilidade da planta em ajustar-se metabólica e estruturalmente a esses efeitos, determinando o sucesso de determinada espécie frente a alterações do meio.
O desenvolvimento primário do caule, conseqüência dos processos de divisão, expansão e diferenciação celular do meristema, pode se dar em decorrência de programação genética e de sinais ambientais que podem interferir na sua forma, no número de ramos e em sua taxa de crescimento (Taylor, 1997). Nesse aspecto, o presente trabalho focou no crescimento em altura das plântulas, na área foliar e na extensão dos entrenós, e os resultados obtidos permitem pressupor que nas espécies Hymenaea stigonocarpa e H. courbaril (particularmente a primeira, que apresentou aumento estatisticamente significativo), o maior crescimento do caule, no início do desenvolvimento das plantas, pode ser resultado da exposição à elevada [CO2]. Tal resposta
deve conferir vantagens competitivas às espécies. Entretanto, não há consenso na literatura a respeito do(s) processo(s) que é atingido por essa mudança atmosférica (Pritchard et al., 1999). Para Jacobs (1997) há dois tipos de estímulo, não necessariamente excludentes, que disparam o processo de divisão celular. O primeiro seria o momento em que a célula atinge seu limiar de crescimento, duplica suas organelas e inicia a mitose, enquanto o segundo ocorre sob ação de hormônios como citocininas, auxinas e giberelinas; já se sabe que os dois primeiros aumentam a expressão de ciclinas, uma quinase cuja concentração modula o ciclo celular, algumas estimulando a divisão (Kende & Zeevaart, 1997). Também tem sido registrado que a sacarose pode exercer um controle químico na divisão celular, talvez mediando a atividade da ciclina (Kinsman et al., 1997). Neste artigo os autores especulam que a disponibilidade maior de sacarose nos meristemas pode aumentar a proporção de células de divisão rápida, acelerando o crescimento da planta. Por outro lado, menos defendida é a proposta de que o crescimento vegetal
é resultado de expansão celular, sem um concomitante aumento na produção de novas células (Ranasinghe & Taylor, 1996).
Vários estudos têm indicado que o caule responde positivamente à elevação da concentração de CO2 (Downton et al., 1990; Rogers et al., 1992 e Slafer & Rawson, 1997). Em uma análise
preliminar (dados não apresentados), observou-se, em 720 ppm de CO2, maior presença de
grânulos de amido no parênquima medular da raiz de H. stigonocarpa, em comparação com o mesmo tecido de H. courbaril. Se considerarmos como correta a premissa de que o crescimento vegetal, nessa condição atmosférica, exerce forte efeito no sistema radicular das plantas (Rogers
et al., 1994), pode-se pressupor que a produção de citocinina neste órgão, e seu conseqüente fluxo para o caule, tenha sido fator de estímulo para o maior crescimento do caule nessa espécie. Esses resultados sugerem que eventos no nível celular constituem peça importante na compreensão de como o crescimento é controlado, e que espécies de estreita relação filogenética podem apresentar diferentes resultados de crescimento em atmosfera enriquecida de CO2.
Dos órgãos vegetais, as folhas são os que apresentam a maior diversidade morfológica, exibindo grande plasticidade estrutural em resposta a alterações ambientais (Esau, 1977). A compreensão de sua estrutura em vegetais submetidos a concentrações elevadas de CO2 é crucial
na medida em que são órgãos vitais na captação de luz, fotossíntese, absorção de carbono, economia de água, e, em última análise, na produtividade vegetal, já que esta é diretamente dependente da eficiência funcional das folhas (Smitt & Stitt, 2007). Em parte isso explica o foco que muitos laboratórios têm dado às pesquisas em área foliar de espécies de interesse econômico submetidas a altas concentrações de CO2.
Seções transversais das folhas de H. stigonocarpa e H. courbaril demonstram que o órgão apresenta aspecto típico de plantas mesófitas (Apezzato-da-Glória & Carmello-Guerreiro, 2003), com uma camada simples de epiderme recoberta por cutícula, estômatos somente na face inferior (hipoestomáticas), mesofilo com espaços intercelulares, parênquima paliçádico com camada única de células colunares, enquanto as células do parênquima lacunoso possuem formas irregulares. O parênquima paliçádico, mais rico em cloroplastos que o lacunoso − o que sugere maior participação na fotossíntese −, está presente na face superior da folha, interno à camada adaxial de células epidérmicas (Figura 14). O mesofilo é totalmente permeado por numerosos feixes vasculares dispostos em padrão ramificado, arranjo conhecido como nervação reticulada (Raven et al., 2006).
Tanto em atmosfera ambiente de CO2 como em elevada notou-se que as células do
parênquima paliçádico de H. stigonocarpa são maiores (na extensão de seu eixo maior) do que as encontradas em H. courbaril (Tabela 2 e Figura 12). Essa diferença morfológica interespecífica encontra respaldo em experimento que comparou o desempenho fotossintético de plântulas de H.
stigonocarpa e H. courbaril, no qual concluiu-se que a espécie de cerrado apresentou maior eficiência do que a de mata, pois obteve maiores valores médios de trocas gasosas nas folhas (Dechoum, 2004). Como se observa na Tabela 2, H. courbaril parece investir maior parte dos assimilados de carbono no crescimento de caule e da área foliar, quando se compara com H.
stigonocarpa. É provável que o maior investimento em maquinaria fotossintetizante observado em H. stigonocarpa seja destinado ao desenvolvimento de raízes, característica das espécies que habitam o cerrado.
Seneweera & Conroy (2005) avaliaram exemplares do trigo Triticum aestivum em CTAs e concluíram que a elevação para 700 ppm de CO2, além de promover o aumento da área foliar em
17%, também tornou mais rápida a expansão foliar (ação ontogênica). Dados similares foram apresentados nos momentos iniciais do desenvolvimento das folhas do arroz Oryza sativa, mas as taxas de expansão diminuíram na fase final, provavelmente decorrente de redução do estoque de carboidratos. Para o arroz, portanto, o suprimento extra de carbono parece acelerar o crescimento das folhas, mas não aumentar sua área (Seneweera et al., 1995).
Taylor et al. (2001) submeteram híbridos de Populus a 550 e 700 ppm de CO2 em três
condições distintas (câmaras controladas, CTAs e FACE). Os autores encontraram crescimento foliar consistente com a elevação da concentração do gás, nas plantas das condições de cultivo, confirmando Taylor et al. (1994), segundo os quais essa resposta é comum a uma ampla variedade de plantas, incluindo espécies arbóreas, herbáceas, gramíneas e cultivadas. Entretanto as taxas de expansão foliar, calculadas em mm/dia, diminuíram com o tempo do experimento. Diferenças relacionadas à variedade e à condição experimental também influenciaram nas respostas.
Ainda que aumentos na área foliar sejam atribuídos tanto à produção de novas células como à expansão celular, há ainda muita controvérsia sobre a real participação desses eventos na área foliar de espécies expostas a elevadas concentrações de CO2. Para Ranasinghe & Taylor (1996) o
tamanho celular pouco influencia no tamanho final das folhas, enquanto que Radoglou & Jarvis (1990) acreditam numa sensibilidade maior da expansão foliar nessa condição atmosférica. Ferris & Taylor (1994) entendem que o teor elevado de CO2 afete a divisão meristemática e a
Efeitos no número de estômatos.
A diafanização de segmentos foliares de H. stigonocarpa e H. courbaril revelou que os estômatos dessas espécies possuem células-guarda de formato reniforme, e são do tipo paracítico (Figura 15), confirmando dados encontrados na literatura que relacionam essas características para a família a qual pertence o jatobá – Leguminosae (Lorenzi, 2002). A técnica de diafanização revelou ainda que a epiderme dos folíolos dos jatobás apresenta células comuns de parede sinuosa. Este tipo de conformação deve-se, provavelmente, às tensões ocorridas na folha ou ao endurecimento da cutícula, processos que ocorrem durante a diferenciação celular (Watson, 1942
apud Apezzato-da-Glória & Carmello-Guerreiro, 2003).
Mudanças em vários parâmetros ambientais podem afetar o desenvolvimento estomático, como intensidade e qualidade de luz (Lake et al., 2001), umidade (Serna & Fenoll, 1997), disponibilidade de água (Franks & Farquhar, 2001), ozônio (Günthardt-Goerg & Vollenweider, 2007), CO2 atmosférico (Woodward, 1987), temperatura (Pandey et al., 2007) e altitude
(Kouwemberg & Kürschner, 2007).
O presente estudo encontrou alterações no número de estômatos foliares nas duas espécies investigadas. Tanto índice (IE) quanto densidade (DE) estomáticos tiveram redução estatisticamente significativa (Tabela 2 e Figura 11). Plântulas de H. stigonocarpa e H. coubaril expostas à elevada [CO2] apresentaram o mesmo valor percentual de redução (14,4%) no IE e na
DE. Os valores absolutos do número de estômatos por área e suas respectivas concentrações atmosféricas de CO2 foram os seguintes: A espécie H. stigonocarpa apresentou 462 (370 ppm) e
397 (720 ppm) estômatos/mm2, enquanto H. coubaril 432 (370 ppm) e 370 (720 ppm) estômatos/mm2. Já para as células epidérmicas, observou-se aumento da densidade em 6,6% para
H. stigonocarpa, e redução em 9,8% para H. courbaril (P < 0,05 para ambos), diferença que, segundo Pandey et al. (2007), pode ser atribuída a características genéticas específicas.
Vários estudos propõem uma relação inversa entre [CO2] e DE e IE, ou seja, a elevação da
[CO2] implicaria na redução da densidade e do índice estomáticos. Royer (2001) revisou estudos
realizados em 176 espécies de plantas C3 e encontrou inversão nas respostas em 40% para DE e
36% para IE, enquanto que correlações positivas ocorreram em 9% e 4% das plantas, respectivamente. Entretanto, Murray (1995) coloca em dúvida o método de correlação entre DE/IE e [CO2], ao alertar que o aumento da área foliar, comumente encontrado nestes
experimentos, não é levado em consideração. Já Ewert (2004) acredita que pouca ênfase tem sido dada para as relações entre índice de área foliar e crescimento em ambientes de elevada [CO2].
A DE é uma função do número de estômatos e do tamanho das células epidérmicas, e, desse modo, é afetada tanto pela formação de novas células estomáticas quanto pela taxa de expansão das epidérmicas. Como a expansão celular é dirigida por outras variáveis, como luz e temperatura, ela pode mascarar a influência da [CO2] na formação de novas células-guarda. Para
corrigir essa distorção, foi introduzido o conceito de índice estomático (IE), visando normalizar os efeitos dessa expansão (Beerling & Woodward, 1995; Royer, 2001).
Beerling & Woodward (1995) observaram, em cinco espécies ornamentais expostas a elevada [CO2], decréscimo na DE e no IE em regiões foliares com diferentes proporções de pigmentação
(brancas e verdes), e sugeriram que a resposta de diferenciação estomática nessa condição não está relacionada à capacidade fotossintetizante do órgão, mas à estrutura do mesofilo que, em determinadas folhas, permite maior difusão lateral de CO2.
Royer (2001) estabeleceu que reduções na DE e no IE associadas à elevada [CO2] foram mais
frequentemente observadas em estudos realizados em materiais fósseis e de herbário do que nos realizados em exposições em campo e em câmaras. O autor sugere que as plantas atuais nunca experimentaram atmosferas acima de 350 ppm durante todo o Quaternário, ou mesmo antes, e que exposições experimentais apenas “testam a plasticidade das plantas”. Essa tese encontra respaldo em Körner (2006) e Pagani et al. (2005), segundo os quais a [CO2] teve, ao longo dos
períodos geológicos, três fases caracterizadas por drásticas reduções de sua pressão parcial, tendo a última delas ocorrido no Terciário, quando do surgimento das plantas modernas.
Reid et al. (2003) avaliaram as respostas fenotípicas estomáticas de 15 espécies vegetais após quatro anos de exposição em estações FACE, e concluíram não haver evidências de que haverá, em atmosfera com maior pressão parcial de CO2, redução na DE e no IE, a menos que haja
mutações genéticas futuras.
Resultados contraditórios também foram encontrados em Uprety et al. (2002). Quatro variedades de arroz Oryza sativa foram submetidas a 600 ppm de CO2 em CTAs, e foram
observados redução da densidade estomática (61%) e aumento do índice estomático (33%). Os autores argumentam que o efeito na densidade foi decorrente de maior expansão da área foliar, e esta por mudanças no tamanho das células epidérmicas. Medições de comprimento e largura das células epidérmicas levaram-nos a atribuir esse aumento à expansão, e não à divisão celular. Outra constatação relevante foram as diferentes respostas que plantas de uma mesma espécie podem apresentar quando expostas a uma mesma condição. A variedade denominada P-834 apresentou aumento da densidade e suas células epidérmicas não foram afetadas significativamente pela alta [CO2].
Em exemplares de Alnus glutinosa expostos a 720 ppm de CO2 houve aumento do IE e
variação não significativa da DE (Poole, 2000). Resultados semelhantes foram obtidos em
Tradescantia exposta a 670 ppm de CO2 (Boetsch et al., 1996). Ferris & Taylor (1994)
encontraram respostas distintas quando expuseram quatro espécies de plantas herbáceas (Sanguisorba minor, Lotus corniculatus, Anthyllis vulneraria e Plantago media) a 600 ppm de CO2. Os autores registraram aumento do IE em S. minor, redução em A. vulneraria e em P.
media, e nenhum efeito significativo em L. corniculatus. Quanto à DE, houve aumento em S.
minor e L. corniculatus, e decréscimo em A. vulneraria e P. media. Os resultados desses trabalhos demonstram com clareza a diversidade de respostas estomáticas apresentadas pelas plantas quando expostas a elevação da [CO2], diversidade essa que pode encontrar explicação nas
características genéticas das espécies, como também na metodologia empregada e em variáveis que alteram a formação dos estômatos, como luz, disponibilidade de nitrogênio e de água.
Entretanto, trata-se de consenso na literatura de que o índice estomático é um valor que independe do crescimento foliar. Tanto plântulas de H. stigonocarpa como as de H. courbaril reduziram o IE quando foram submetidas à elevada [CO2], o que sugere ter havido, durante o
desenvolvimento das folhas analisadas, alguma sinalização de folhas maduras para folhas em desenvolvimento.
Efeitos ultra-estruturais.
A compreensão das mudanças causadas pelo aumento da [CO2] nas árvores e nos ecossistemas
requer informações sobre o funcionamento das células foliares, e, dessa forma, observações ultra- estruturais podem oferecer valiosas contribuições. Entretanto, são escassos os trabalhos que
descrevem os efeitos ultra-estruturais do alto teor de CO2 em plantas, e, em alguns, esses efeitos
estão associados a outros componentes abióticos, como ozônio.
Em Oksanen et al.(2001) encontram-se resultados de efeito contraditório entre CO2 e O3.
Exemplares de Populus tremuloides foram expostos à concentração elevada de CO2 (560 ppm)
em sistema FACE, de O3, e a uma atmosfera combinada desses dois gases. Em geral, os autores
observaram que o CO2 tendeu a aumentar a espessura das folhas, os cloroplastos, o amido em seu
interior e a área do espaço intercelular, e a reduzir o número de plastoglóbulos, intimamente relacionados à senescência foliar. Em contrapartida, efeitos diametralmente opostos foram observados quando a espécie foi exposta ao O3. O CO2 parece, portanto, minimizar os efeitos
oxidativos induzidos pelo O3 nas células vegetais. A resposta para esse efeito protetor estaria na
(1) indução do fechamento estomático, limitando a entrada de O3 nas folhas, na (2) maior
disponibilidade de carboidratos, importante componente energético para os sistemas de reparo e de defesa, e em (3) mudanças anatômicas como aumento na espessura e na densidade do mesofilo, que também reduziriam a possibilidade de ação do O3 nos tecidos. Isso reforça o
conceito de que características morfológicas podem ser indicadoras de efeitos ambientais adversos às plantas.
Em várias espécies tem sido verificado aumento do conteúdo de carboidratos nas folhas de plantas expostas à alta [CO2] (Ray & Jarvis, 1998). O presente trabalho investigou os efeitos do
CO2 sobre a área dos cloroplastos e do amido em seu interior, e encontrou aumento significativo
nos dois itens para as duas espécies, com exceção da área da organela em H. courbaril, que não mostrou alteração significativa (Tabela 2). O maior acúmulo de amido nos cloroplastos de jatobás é condizente com dados da literatura, que confirmam o aumento das taxas fotossintetizantes para plantas nessa condição atmosférica (Atkinson et al., 1997 e Teng et al., 2006) − e com avaliações
de medidas de fotossíntese obtidas especificamente para as espécies estudadas (Buckeridge et al.
– dados não publicados).
Há considerável número de trabalhos que relatam os efeitos do alto teor de CO2 nas plantas,
mas pouca informação sobre os efeitos ultra-estruturais nas organelas envolvidas na fotossíntese. Nestes artigos, em particular, são raros os que investigaram sob perspectiva estatística (Teng et
al., 2006).
Arabidopsis thaliana, espécie modelo amplamente utilizada em estudos moleculares e de desenvolvimento vegetal, acumulou maior quantidade de amido nos cloroplastos (que também tiveram sua área aumentada), provavelmente em decorrência do acúmulo do carboidrato. Resultados semelhantes, porém mais contundentes, foram observados em Hymenaea, especialmente em H. stigonocarpa (Tabela 2 e Figura 13). Nessa espécie a área média de amido presente nos cloroplastos aumentou de 0,48 para 5,82 µm2 (um acúmulo aproximadamente 12 vezes maior), enquanto que a área média dos cloroplastos aumentou de 5,67 para 12,2 µm2 (aumento maior que duas vezes). Tamanho aumento na quantidade de amido nos cloroplastos alterou substancialmente a morfologia da organela (Figura 16), como previamente observado em
Pinus palustris (Pritchard et al., 1997) e em Nicotiana sylvestris (Wang et al., 2004).
Ainda que o acúmulo de amido tenha triplicado nos cloroplastos de H. courbaril em alta [CO2]
(de 1,6 para 5,4 µm2), não houve alteração significativa na área da organela. Essa resposta menos expressiva do jatobá da mata em relação ao de cerrado pode ter explicação no genoma das espécies, adaptadas a ambientes com diferenças na disponibilidade de água e de nutrientes, já que plantas de ecossistemas sazonais, como o cerrado, acumulam reservas que podem ser utilizadas em épocas mais propícias ao crescimento (Costa, 2003).
O maior acúmulo de amido nos cloroplastos em elevada [CO2] pode agir como um mecanismo
de estocagem de carbono, expandindo a capacidade de dreno do órgão e, dessa forma, refletindo em sua área foliar. Como já foi descrito, a área foliar aumentou nas duas espécies, sendo o aumento estatisticamente significativo apenas em H. stigonocarpa.
Segundo Lambers et al. (1998), espécies características de ambientes pouco produtivos, como o cerrado, acumulam os nutrientes para usá-los em períodos subseqüentes, de eventual baixa disponibilidade de recursos. A conservação desses nutrientes, que podem ser acumulados nas folhas, é relevante aos vegetais que vivem nesses hábitats, na medida em que uma maior eficiência no uso dos nutrientes absorvidos diminui os altos custos necessários a sua absorção (Bloom et al., 1985). Desse modo, é provável que essa seja uma explicação para o fato do jatobá de cerrado H. stigonocarpa apresentar seus cloroplastos com maior diferença de acúmulo de amido em alta [CO2], em comparação à diferença observada em H. courbaril.
O aumento do amido nos cloroplastos de células do mesofilo observado nos jatobás expostos à elevada [CO2] encontra respaldo em Pritchard et al. (1997), Oksanen et al. (2001) e Wang et al.
(2004), mas é destoante com observações encontradas em folhas de Triticum aestivum crescidas em 650 ppm de CO2 (Robertson & Leech, 1995), segundo as quais houve redução significativa
do conteúdo de amido nos cloroplastos. Entretanto, deve-se considerar a idade das folhas, pois órgãos mais jovens apresentam demanda energética maior que órgãos mais maduros (relação fonte-dreno), e é possível que, nessa fase do desenvolvimento, as folhas estejam trabalhando como “dreno” de carboidratos. Também não pode ser desprezada a fisiologia metabólica da espécie – T. aestivum –, de rápido crescimento e escassa reserva cotiledonar.
A variação de respostas também ocorre quando são analisadas as membranas dos tilacóides dos cloroplastos. Na beterraba Beta vulgaris, Kutik et al. (1995) encontraram aumento no número de tilacóides por cloroplasto de folhas crescidas em alto teor de CO2, semelhante ao observado
em quatro espécies arbóreas por Griffin et al. (2001). Também observou-se aumento no grau de empilhamento dos tilacóides granares em Triticum aestivum e redução desse empilhamento em
Arabidopsis thaliana (Teng et al., 2006).
Cloroplastos são grandes organelas celulares envolvidas por dupla membrana, caracterizados pela presença de tilacóides numa matriz denominada estroma e que criam domínios funcionais na fotossíntese. As membranas dos tilacóides delimitam seu conteúdo, que tem espessura variável entre 4 e 70 nm. Esse sistema de membranas abriga as reações fotoquímicas da fotossíntese que