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Modulação da fotossíntese por deficiência hídrica em plantas C4

A deficiência hídrica é um dos fatores ambientais que mais limita a produtividade das plantas em todo o mundo, podendo ser causada tanto por falta de água quanto no solo quanto na atmosfera (GHANNOUM, 2009). Pesquisas envolvendo respostas de plantas submetidas ao estresse hídrico têm sido cada vez mais frequentes, tendo em vista que várias regiões no mundo estão se tornando áridas e o entendimento dos mecanismos relacionados com a tolerância à seca é essencial para o cultivo das culturas (PETIT et al., 1999).

A percepção do déficit hídrico pelas plantas ocorre em três fases, onde a primeira fase se caracteriza pela diminuição da disponibilidade de água no solo sem a diminuição das taxas transpiratórias, na segunda fase ocorre diminuição da transpiração e condutância estomática e na terceira os estômatos estão quase que totalmente fechados, ocorrendo perda de água apenas via cutícula (PIMENTEL, 2004). Nas fases moderada e severa do estresse (segunda e terceira fase) também é possível observar um aumento da relação raiz/parte aérea, redução da fotossíntese e assimilação de nitrogênio e aumento de solutos compatíveis, como carboidratos solúveis e prolina (PIMENTEL, 2004).

Alguns parâmetros são utilizados para indicar o status hídrico da planta, os mais comuns são o potencial hídrico (Ψw) e o conteúdo relativo de água (CRA) (VERSLUES et al., 2006). Porém estes parâmetros nem sempre são confiáveis, pois em algumas plantas o Ψw pode ser elevado mesmo em condições de seca no solo (DAVIES; ZHANG, 1991) e o CRA varia com a idade e entre as espécies de plantas e quando o estresse não é severo é um método insensível (VERSLUES et al., 2006). O status hídrico da planta deve ser utilizado apenas em condições de estresse severo, pois quando a perda de água pelo tecido é lenta o nível de água na célula permanece inalterado por causa dos mecanismos de fechamento estomático e consequente diminuição da condutância estomática (gS) (TARDIEU, 1996). No estresse

inicial a redução da gS promove efeitos protetores contra a desidratação por manter o status hídrico e aumentar a eficiência do uso da água pelas plantas (CHAVES et al., 2008).

As limitações das taxas fotossintéticas nas plantas sob seca são controvérsias, alguns autores afirmam que são devidos aos fatores estomáticos (CORNIC, 2000; CHAVES et al., 2002), pois a diminuição da gS acarreta em menor difusão do CO2 para os tecidos foliares e limita a atividade da Rubisco. Já outros autores afirmam que fatores não estomáticos são mais importantes (LAWLOR, 2002), como diminuição de transporte de elétrons, síntese de ATP e da regeneração da ribuloseF1,5Fbisfosfato (RuBP) (FLEXAS; MEDRANO, 2002). Também são aceitas as limitações causadas pelos dois fatores, estomáticos e não estomáticos (LAWLOR; CORNIC, 2002). As respostas fotossintéticas em plantas C3 submetidas ao déficit hídrico são abundantes na literatura (CORNIC; FRESNEAU, 2002; LAWLOR, 2002, FLEXAS et al., 2004), porém os estudos com plantas C4, principalmente envolvendo as respostas bioquímicas, são escassos (DU et al., 1996; GHANNOUM, 2009).

Em geral, a fotossíntese de plantas C3 é negativamente afetada pelo estresse hídrico que promove mudanças no Ψw e CRA da folha. Na fase inicial do estresse, quando o CRA é maior que 70%, ocorre diminuição da assimilação de CO2 que é acompanhado com a diminuição da concentração interna de CO2 (Ci) devido ao decréscimo na gS. Sob essas condições a capacidade fotossintética máxima e o rendimento quântico do fotossistema (PS) II são inalterados quando as plantas são submetidas a concentrações saturantes de CO2 e luz (GHANNOUM, 2009). Além disso, nestas condições as plantas são capazes de recuperarem rapidamente as taxas fotossintéticas quando reidratadas. Quando o CRA fica abaixo de 70%, nos estágios mais avançados do estresse, o decréscimo da fotossíntese é acompanhado pelo aumento de Ci e não se recupera com a retirada do estresse. O entendimento dos efeitos não estomáticos, também conhecido como inibição metabólica ou bioquímica são diversos e pouco entendidos (GHANNOUM, 2009).

A eficiência fotoquímica de plantas submetidas à seca também é regulada negativamente, com decréscimo da eficiência quântica efetiva do PSII (∆F/Fm’) e da eficiência quântica potencial do PSII (Fv/Fm), este último está associado com a fotoinibição causada por danos na proteína D1 do PSII (OSMOND, 1994). Devido as limitações nos processos fotossintéticos, o excesso de luz promove aumento de espécies reativas de oxigênio (EROs) podendo ocasionar destruição do aparato fotossintético (FOYER; NOCTOR, 2000; CHAVES et al., 2003). Para evitar o dano fotoquímico, as plantas possuem mecanismos de dissipação de energia, como quenching não fotoquímico (NPQ) e ciclo das xantofilas

(BAKER; ROSENQVIST, 2004) e mecanismos enzimáticos de proteção oxidativa (CHAVES et al., 2003).

Apesar dos mecanismos de assimilação de CO2 em plantas C4 serem diferentes de plantas C3, suas respostas ao déficit hídrico são similares, com redução da gS e das taxas fotossintéticas (MAROCO et al., 2000; GHANNOUM et al., 2003; CARMOFSILVA et al., 2008). Em C4 o decréscimo fotossintético também pode ser causado por limitações estomáticas e não estomáticas. Alguns autores correlacionam as mudanças no Ci para distinguir as limitações estomáticas e não estomáticas na fotossíntese (GHANNOUM, 2009), onde os fatores estomáticos estão presentes na primeira fase do estresse que geralmente apresenta decréscimo de Ci acompanhado pelo decréscimo de gs, e os não estomáticos nas fases mais severas da seca com aumento de Ci e decréscimo contínuo da fotossíntese (DU et al., 1996; KALAPOS et al., 1996; LAL; EDWARDS, 1996).

Em plantas C4 o estresse hídrico também promove uma série de modificações bioquímicas que promovem a redução da assimilação do CO2, como diminuição da atividade das enzimas relacionadas com os processos fotossintéticos: Rubisco, PEPcase, enzima málica e, principalmente, a piruvato fosfato diquinase (PPDK) (DU et al., 1996). Porém alguns autores não observaram decréscimo na atividade de Rubisco e PEPcase sob seca (FOYER et al., 1998; MARQUES DA SILVA; ARRABAÇA, 2004).

De acordo com alguns trabalhos presentes na literatura (SACCARDY et al., 1996; CARMOFSILVA et al., 2007), as enzimas do ciclo C3 parecem ser mais sensíveis ao déficit hídrico do que as do ciclo C4. O decréscimo da relação da atividade enzimática C3/C4 pode ser identificado pelo vazamento de CO2 da bainha para o mesófilo (VON CAEMMERER; FURBANK, 1999; SALIENDRA et al., 1996). O aumento do vazamento de CO2 das células da bainha para o mesófilo é causado principalmente por limitações bioquímicas e o decréscimo da relação Rubisco/PEPcase mostra que a fotossíntese em plantas C4 é limitada pelo ciclo C3 sob estresse hídrico (SALIENDRA et al., 1996).

Nas espécies C4, o déficit hídrico promove, também, decréscimo da atividade de redutase de nitrato (RN), que pode ser correlacionado com a diminuição de clorofila e proteína solúveis (DU et al., 1996; FOYER et al., 1998). Ainda sob estas condições, o conteúdo de carboidratos solúveis totais aumenta, e na maioria dos casos, pode haver a mobilização de outros açúcares para a síntese de sacarose (LEE et al., 2008).

A regulação da fotossíntese frente às modificações ambientais é altamente dinâmica (CHAVES et al., 2003). O desenvolvimento de cultivares tolerantes à seca tem sido um dos objetivos dos programas de melhoramento genético envolvendo espécies C4

(INMANFBAMBER; SMITH, 2005). Por isso, a identificação dos mecanismos fisiológicos, desempenhado pelas plantas submetidas ao estresse é importante para serem utilizados nos critérios de seleção (SMIT; SINGELS, 2006).

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