CENTRO DE CIÊNCIAS AGRÁRIAS DEPARTAMENTO DE FITOTECNIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM AGRONOMIA - FITOTECNIA
JOHNY DE SOUZA SILVA
ESTRESSE HÍDRICO EM VARIEDADES TRADICIONAIS DE FEIJÃO-CAUPI: ESTRATÉGIAS FISIOLÓGICAS E BIOQUÍMICAS PARA TOLERÂNCIA AO
DÉFICIT HÍDRICO
FORTALEZA 2019
ESTRESSE HÍDRICO EM VARIEDADES TRADICIONAIS DE FEIJÃO-CAUPI: ESTRATÉGIAS FISIOLÓGICAS E BIOQUÍMICAS PARA TOLERÂNCIA AO DÉFICIT
HÍDRICO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Agronomia – Fitotecnia da Universidade Federal do Ceará, como requisito à obtenção do título de mestre em Agronomia/Fitotecnia. Área de concentração: Fisiologia de Plantas Cultivadas
Orientadora: Prof.ª Dra. Rosilene Oliveira Mesquita
FORTALEZA 2019
Dados Internacionais de Catalogação na
Publicação Universidade Federal do Ceará Biblioteca Universitária
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S58e Silva, Johny de Souza.
Estresse hídrico em variedades tradicionais de feijão-caupi: estratégias fisiológicas e bioquímicas para tolerância ao déficit hídrico / Johny de Souza Silva.
– 2019. 59 f. : il.
Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Ciências Agrárias, Programa de Pós-Graduação em Agronomia (Fitotecnia), Fortaleza, 2019.
Orientação: Prof. Dr. Rosilene Oliveira Mesquita.
1. Vigna unguiculata (L). Walp. 2. Semiárido. 3. Tolerância à seca. I. Título.
ESTRESSE HÍDRICO EM VARIEDADES TRADICIONAIS DE FEIJÃO-CAUPI: ESTRATÉGIAS FISIOLÓGICAS E BIOQUÍMICAS PARA TOLERÂNCIA AO DÉFICIT
HÍDRICO NO SEMIÁRIDO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Agronomia – Fitotecnia da Universidade Federal do Ceará, como requisito à obtenção do título de mestre em Agronomia/Fitotecnia. Área de concentração: Fisiologia de Plantas Cultivadas
Aprovado em __/__/____.
BANCA EXAMINADORA
______________________________________________________ Prof.ª Dra. Rosilene Oliveira Mesquita (Orientadora)
Universidade Federal do Ceará (UFC)
______________________________________________________ Prof. º Dr. Claudivan Feitosa de Lacerda
Universidade Federal do Ceará (UFC)
______________________________________________________ Dr. Marlos Alves Bezerra
A Deus, pela vida, pоr me guiar e iluminar todos os meus passos, e por ter me dado forças para prosseguir e concluir mais uma etapa desta vida.
Aos meus pais Cicera Maria de Souza Silva e José Carlos da Silva, e a minha irmã Debora Evelim de Souza Silva, pelo amor incondicional.
trajetória.
Aos meus pais, José Carlos e Cícera Maria, por serem exemplos de dedicação, coragem e dignidade, e por nunca medirem esforços para que eu chegasse a esta etapa em minha vida. Palavras são poucas para descrever o amor que eu sinto por vocês.
A minha irmã, Debora Evelim pelo seu apoio e carinho.
À Universidade Federal do Ceará (UFC) e ao Programa de Pós-Graduação em Agronomia/Fitotecnia (PPGAF) pela oportunidade concedida para realização do Curso de Mestrado.
À Fundação Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico (FUNCAP), pelo apoio financeiro por meio da concessão da bolsa de estudos.
À orientadora, professora e amiga Rosilene Oliveira Mesquita pela orientação e dedicação durante esses dois anos de mestrado e pelos valiosos ensinamentos e conselhos que foram essenciais para meu amadurecimento profissional e pessoal.
Aos integrantes da banca avaliadora, os professores Dr. Claudivan e Dr. Marlos. Obrigado pelo apoio e instrução dada não apenas no momento de avaliação, mas no decorrer desse estudo.
Aos laboratórios: LABFIVE, Laboratório de Relações Solo-água-planta e laboratório de toxinas vegetais e seus integrantes por toda ajuda e pela concessão do espaço para que esse trabalho pudesse ser executado.
Aos professores do Programa de Pós-graduação em Agronomia/Fitotecnia da UFC pelos ensinamentos transmitidos.
Aos meus amigos da Vida e da turma da Pós-Graduação pelos grupos de estudo, passeios, sorrisos, diversão e por todos os momentos juntos que proporcionaram laços de amizades maravilhosos, em especial: Antônio Erivando, Toshik Iarley, Antônio Carlos, Flenna Amorim, Antonia Gorete, Suane Brasil, Luilson Pinheiro, Vinícius Saraiva, Letícia Kenia, Francisco Linco, Bruno Café, Lorena Gomes, Rafael Paiva, Wendson Moraes, Analia Roberta, Jacson, Benedito Neto, Thayane Miranda, Evelice Cardos, Diene Miranda, Jefte Arnon, Fernanda Carla, Wesley Costa, enfim, e a todos que contribuíram direta ou indiretamente, o meu muito obrigado.
Ao meu irmão de orientadora, Rafael Santiago pelo apoio e contribuições durante o mestrado.
momentos de descontração, pela ajuda com o trabalho e desenvolvimento da pesquisa, vocês foram indispensáveis para a concretização deste trabalho, e principalmente pela amizade.
À minha família, que mesmo distante, sempre me apoiou e me fortaleceu nos momentos mais difíceis.
A todos da Diretoria, Coordenação, Secretaria, Serviços Gerais, enfim a todos que fazem a UFC ser esse mundo de conhecimento e diversidade.
O feijão-caupi é uma das mais importantes fontes de proteínas nas regiões tropicais e subtropicais no mundo. No Nordeste brasileiro, ele é estratégico na segurança alimentar e vem gerando emprego e renda. Todavia, em especial no semiárido nordestino, seu cultivo é realizado predominantemente em regime de sequeiro, no qual a irregularidade de chuvas e as altas temperaturas tem contribuído para o déficit hídrico, provocando danos às plantas, muitas vezes irreversíveis, com consequente redução, parcial ou total, em sua produtividade. A preferência de muitos agricultores pelas variedades tradicionais/crioulas pode ser devido sua maior adaptação no ambiente de cultivo, o que reduz o risco de perda total na produção, aumentando suas chances de sucesso na convivência com o semiárido. Em muitos estudos, a identificação de genótipos tolerantes é baseada em poucas variáveis relacionadas às respostas à seca. Dessa forma, é importante avaliar diferentes variáveis fisiológicas e bioquímicas que englobem vários mecanismos, a fim de identificar genótipos promissores para cultivo em regiões áridas e semiáridas e, principalmente, para tentar elucidar melhor os efeitos desse estresse em diferentes materiais genéticos. Nesse contexto, o presente estudo buscou identificar mecanismos de tolerância ao déficit hídrico em variedades tradicionais de feijão-caupi cultivadas no Ceará, por meio de análise integrada envolvendo variáveis fisiológicas e bioquímicas que afetam o crescimento e desenvolvimento do feijão-caupi em condição de restrição hídrica, além de verificar a capacidade de recuperação após déficit hídrico severo. Foram portanto, desenvolvidos dois experimento, o primeiro em delineamento inteiramente causualizado em esquema fatorial 3x2 com cinco repetições, onde avaliou-se 3 genótipos em duas condições (controle-irrigado e seca progressiva por nove dias). O outro experimento teve esquema fatorial 3x3 com cinco repetições, onde foram avaliados três genótipos e três condições hídricas (controle-irrigado, estresse moderado e estresse severo). Foram avaliados variáveis de crescimento, relações hídricas, metabolismo do carbono, ajustamento osmótico e metabolismo oxidativo. A partir dos resultados encontrados, foi possível identificar mecanismos de tolerância nos diferentes genótipos de feijão-caupi, expressos através dos resultados das avaliações fisiológicas e bioquímicas, e, a partir dessa caracterização, indicar genótipos com aptidão ao cultivo em sequeiro, capazes de tolerar períodos de escassez hídrica no solo e com capacidade de recuperar-se a partir da reidratação.
Cowpea bean is one of the most important sources of protein in the tropical and subtropical regions of the world. It is strategic in food security and has been generating employment and income, especially in the Brazilian Northeast. However, particularly in the northeastern semi-arid region, its cultivation is predominantly under rainfed conditions, in which rainfall irregularity and high temperatures have contributed to the water deficit, causing damage to the plants, which are often irreversible, with a consequent loss of productivity. The preference of many producers for the traditional / creole varieties may be due to their greater adaptation to the growing environment, which reduces the risk of total loss in production, increasing their chances of success in the semi-arid conditions. In many studies, the identification of tolerant genotypes is based on few variables related to drought responses. Thus, it is important to evaluate different physiological and biochemical variables that encompass several mechanisms to identify promising genotypes for cultivation in arid and semi-arid regions and, mainly, to try to elucidate the effects of this stress in different genetic materials. In this context, the present study sought to identify mechanisms of tolerance to water deficit in traditional varieties of cowpea cultivated in Ceará, through an integrated analysis involving physiological and biochemical variables that affect the growth and development of cowpea in a condition of water restriction, besides verifying the capacity of recovery after severe water deficit. Therefore, two experiments were carried out, the first in a completely randomized design in a 3x2x5 factorial scheme, where three genotypes were evaluated under two conditions (irrigated control and progressive dry for nine days), the other experiment was a 3x3x5 factorial scheme, where three genotypes and three water conditions (irrigated control, moderate stress and severe stress). Growth variables, water relations, carbon metabolism, osmotic adjustment and oxidative metabolism were evaluated. From the results obtained, it was possible to identify tolerance mechanisms in the different cowpea genotypes, expressed through the results of the physiological and biochemical evaluations, and, from this characterization, indicate genotypes with ability to cultivate in the rainforest, able to tolerate periods of soil water scarcity and with the capacity to recover from rehydration.
1 INTRODUÇÃO GERAL... 3
2 CAPÍTULO 1 - MECANISMOS DE TOLERÂNCIA AO DÉFICIT HÍDRICO E RESPOSTAS A REIDRATAÇÃO EM VARIEDADES TRADICIONAIS DE FEIJÃO-CAUPI: ASPECTOS FISIOLÓGICOS, BIOQUÍMICOS E DE PRODUÇÃO... 14
2.1 Material e métodos... 15
2.2.1 Localização do experimento... 15
2.2.2 Material vegetal e condições experimentais... 15
2.2.3 Delineamento experimental e análise estatística... 16
2.2.4 Análises fisiológicas... ... 17
2.2.5.1 Caracterização de alterações nos parâmetros de trocas gasosas e fluorescência da clorofila a e índice SPAD ... 18
2.2.6 Produção de vagens ... 18
2.3 Resultados... 18
2.3.1 Efeito do estresse hídrico progressivo no crescimento e índice SPAD... 18
2.3.2 Efeito do estresse hídrico e reidratação em parâmetros fotossintéticos... 19
2.3.3 Efeito do estresse hídrico e reidratação nos parâmetros de fluorescência da clorofila a... 21 2.3.4 Efeito do estresse hídrico sobre caracteres produtivos em diferentes genótipos de feijão-caupi... 23
2.4 Discussão ... 24
3 CONCLUSÕES ... 29
4 CAPÍTULO 2 – ASPECTOS FISIOLÓGICOS E BIOQUÍMICOS ENVOLVIDOS NA TOLERÂNCIA AO DÉFICIT HÍDRICO EM VARIEDADES TRADICIONAIS DE FEIJÃO-CAUPI... 30
4.1 Introdução... 30
4.2 Material e métodos... 31
4.2.4 Coleta das plantas e medidas biométricas
... 33
4.2.5 Caracterização fisiológica ... 33
4.2.5.1 Estado hídrico da planta e teor relativo de água (TRA)... 33
4.2.5.2 Caracterização de alterações nos parâmetros de trocas gasosas e fluorescência da clorofila a... 34
4.2.6 Caracterização bioquímica... 34
4.2.6.1 Carboidratos solúveis e amido... 34
4.2.6.2 Atividade de enzimas antioxidantes... 35
4.2.6.3 Danos de membranas... 35
4.3 Resultados... 35
4.3.1 Status hídrico da planta e Danos de membrana... 35
4.3.2 Aspectos morfológicos... 37
4.3.3 Trocas gasosas e eficiência do uso da água... 39
4.3.4 Fluorescência da clorofila a... 41
4.3.5 Caracterização bioquímica... 42
4.4 Discussão... 45
5 CONCLUSÕES ... 51
6 PERSPECTIVAS FUTURAS... 53
1 INTRODUÇÃO GERAL
A necessidade do uso de irrigação na agricultura tem crescido expressivamente, contudo o estresse hídrico ainda afeta cerca de 25% das terras agrícolas em todo o mundo (ABIDO; ZSOMBIK, 2018), em adição, estudos relacionados às mudanças climáticas preveem o aquecimento global e aumento dos períodos de seca em inúmeras regiões do planeta (MATOS et al., 2014), sobretudo nas zonas áridas e semiáridas. Nas regiões áridas e semiáridas do mundo, e particularmente no Nordeste brasileiro, a irregularidade das chuvas é um dos principais fatores limitantes da produção. Nessas regiões a ocorrência de déficit hídrico é comum, e associado a altas temperaturas, causam danos significativos aos vegetais. Esses danos são intensificados de acordo com a duração, intensidade e frequência com que ocorre o estresse (SILVA et al., 2010; AZEVEDO et al., 2011).
O déficit hídrico pode ser definido como uma deficiência de água na planta, que é observado a partir de uma redução da disponibilidade de água no solo, ou através das respostas morfológicas, fisiológicas e bioquímicas das plantas à falta de água (IHUOMA; MADRAMOOTOO, 2017).
Entre as culturas que são bastante cultivadas na região Nordeste está o feijão-caupi [Vigna unguiculata (L). Walp.]. Essa espécie se destaca entre as leguminosas por possuir alto valor proteico e por ser o principal produto da agricultura familiar, gerando emprego e renda no semiárido (MANAF; ZAYED, 2015; RIVAS et al., 2016). Segundo a CONAB (2017), é nas regiões Norte e Nordeste que se encontram as maiores produções de feijão-caupi, com destaque para o Ceará, que produziu 109,9 mil toneladas na safra de 2017/2018, gerando uma renda de R$ 300 milhões.
O feijão-caupi apresenta uma ampla gama de genótipos, entre eles tem-se as variedades melhoradas ou modernas e as conhecidas como tradicionais ou crioulas, que representam uma grande biodiversidade em termos de material genético (SINGH; RAJA REDDY, 2011). Diante disso, faz-se necessário uma caracterização fisiológica e bioquímica mais detalhada desses genótipos ditos tradicionais, os quais, muitas vezes, tem a preferência dos agricultores, por serem variedades mantidas ao longo de gerações e apresentarem características de adaptabilidade à região de cultivo. É valido ressaltar que a investigação desse material genético crioulo permite obter diferentes respostas quanto aos mecanismos adaptativos à seca e pode servir para uso como progenitores em programas de melhoramento genético.
Segundo Souza et al. (2018), as pesquisas devem buscar desenvolver genótipos com ciclo mais curto e que apresentem maiores rendimentos sob baixa disponibilidade hídrica. Em resposta à seca, essas características permitirão que a planta conclua seu ciclo em meio a irregularidades da distribuição das chuvas, e com isso torne o cultivo do feijão-caupi no Nordeste mais eficiente no uso da água. Entretanto, a tolerância à seca envolve mecanismos complexos, controlados por uma grande variedade de genes, que irá depender da ação e interação entre diferentes processos fisiológicos, bioquímicos e moleculares que permitirão à planta sobreviver e produzir satisfatoriamente (BERNINI et al., 2016).
Diante desse cenário foi hipotetizado que o mapeamento das respostas de variedades tradicionais de feijão-caupi produzidas por agricultores no Ceará é uma estratégia para caracterizar mecanismos de adaptabilidade ou tolerância à seca. Com isso, o presente estudo tem como objetivo a caracterização fisiológica e bioquímica em variedades tradicionais de feijão-caupi quanto à tolerância à seca.
2 CAPÍTULO 1 - MECANISMOS DE TOLERÂNCIA AO DÉFICIT HÍDRICO E RESPOSTAS A REIDRATAÇÃO EM VARIEDADES TRADICIONAIS DE FEIJÃO-CAUPI: ASPECTOS FISIOLÓGICOS, BIOQUÍMICOS E DE PRODUÇÃO
2.1 Introdução
O uso da irrigação na agricultura tem se tornado cada vez mais frequente por promover ganhos em produtividade. Esse fato deve-se ao conhecimento de novas técnicas utilizadas para o incremento produtivo (SOARES et al., 2017). No entanto, em regiões áridas e semiáridas, onde as taxas de evapotranspiração são superiores às de precipitação, a deficiência hídrica é o principal fator abiótico limitante ao crescimento das plantas e aumento da produção, portanto, ainda o grande gargalo da produção agrícola nessas regiões (CARDOSO; MELO; RIBEIRO, 2018; CHEN et al., 2018).
O déficit hídrico pode ser definido como uma deficiência de água, que é observado a partir de uma redução da disponibilidade de água no solo, ou através das respostas morfológicas, fisiológicas e bioquímicas das plantas à falta de água (IHUOMA; MADRAMOOTOO, 2017). Em plantas, o estresse por falta de água causa efeitos deletérios, como redução do potencial hídrico, fechamento dos estômatos, danos oxidativos, inibição do crescimento e comprometimento da capacidade produtiva. Ao longo dos anos, as plantas submetidas a esse estresse desenvolveram respostas adaptativas, sendo essas estratégias de extrema importância nos estudos relacionados à seca.
A regulação estomática está entre as primeiras respostas de proteção utilizada pelas plantas. A função dos estômatos é estabelecer comunicação entre o mesofilo foliar e a atmosfera, regulando o efluxo de água e influxo de CO2. Assim, em situações de estresse, o
fechamento estomático influencia negativamente a taxa fotossintética (JUNIOR et al., 2014; FERRARI; PAZ; SILVA, 2015; TAIZ et al., 2017; HLAVÁČOVÁ et al., 2018).
O feijão-caupi [Vigna unguiculata (L). Walp.] é uma das culturas agrícolas mais cultivadas nas região Norte e Nordeste do Brasil, com destaque para o estado do Ceará, que produziu 109,9 mil toneladas na safra de 2017/2018, gerando uma renda de R$ 300 milhões (CONAB, 2017). Essa espécie destaca-se entre as leguminosas por possuir alto valor proteico e por ser o principal produto da agricultura familiar, gerando emprego e renda no semiárido nordestino (MANAF; ZAYED, 2015; RIVAS et al., 2016).
O feijão-caupi apresenta uma ampla gama de genótipos, dentre eles tem-se as variedades melhoradas e as conhecidas como tradicionais ou crioulas, que representam uma
grande biodiversidade em termos de material genético (SINGH; RAJA REDDY, 2011). Diante disso, faz-se necessário uma caracterização fisiológica e bioquímica mais detalhada desses genótipos ditos tradicionais, os quais, muitas vezes, tem a preferência dos agricultores, por serem variedades mantidas ao longo de gerações e apresentarem características de adaptabilidade à região de cultivo. É valido ressaltar que a investigação desse material genético crioulo permite obter diferentes respostas quanto aos mecanismos adaptativos à seca e pode servir para uso como progenitores em programas de melhoramento genético.
Diante desse cenário, foi hipotetizado que o mapeamento das respostas de variedades tradicionais de feijão-caupi produzidas por agricultores no Nordeste brasileiro é uma estratégia para caracterizar mecanismos de adaptabilidade ou tolerância à seca e recuperação do caupi após estresse severo proporcionado pela reidratação (retomada da irrigação) depende da manutenção das trocas gasosas. Com isso, objetivou-se avaliar as características fisiológicas, morfológicas e de produção de vagens em variedades tradicionais de feijão-caupi quanto à tolerância à seca e reidratação no semiárido brasileiro.
2.2 Material e métodos
2.2.1. Localização do experimento
O experimento foi conduzido no município de Fortaleza, Ceará, Brasil, situada na zona litorânea a 15,49 m de altitude, 3º43’02” de latitude sul e 38º32’35” de longitude oeste, em casa de vegetação, no Campus do Pici, na Universidade Federal do Ceará (UFC).
2.2.2 Material vegetal e condições experimentais
Foram utilizados três genótipos de feijão-caupi, sendo duas variedades tradicionais, os genótipos Sempre Verde (SV) e Feijão de Moita (FM), em que ambos apresentaram características de tolerância ao déficit hídrico em nível de plântula, segundo Fiege (2017), e um genótipo padrão para tolerância à seca (BRS Pingo de ouro 1,2; PO) (RIVAS et al., 2016). As sementes foram inicialmente pré-germinadas em papel germitest por um período de 48 h (até a protusão da radícula), com a finalidade de garantir a uniformidade do stand e, transplantadas para colunas de Polyvinyl chloride (PVC) (0,15 m de diâmetro e 0,5 m de altura), preenchidas com solo de textura média e adubado de acordo com a
recomendação nutricional da espécie, baseado na análise química do solo (Tabela 1). O desbaste foi realizado sete dias após a semeadura (DAS), permanecendo uma planta por coluna.
Tabela 1. Análise de fertilidade do solo.
C M.O pH P K Ca Mg Na Al H+AL SB CTC V PST CE
g kg-1 mg
dm³ mmolc dm³ % dS m
-1
7,39 12,75 6,6 102 1,24 20,7 6,6 0,33 ND 8,3 28,8 37,1 78 1 0,35
M.O – Matéria Orgânica; SB – Saturação por Base; CTC – Capacidade de Troca de Cátions; PST – Porcentagem de Sódio Trocável.
A capacidade de campo (CC) foi determinada, conforme descrito por Souza et al. (2000), considerando a diferença entre o peso do solo úmido após a saturação e a drenagem livre, e o peso do solo seco ao ar. A manutenção da CC foi feita diariamente em todas as colunas, por gravimetria, pesando-as e repondo o volume de água perdido pela evapotranspiração, utilizando uma balança com capacidade para 20 kg até a imposição do déficit nos tratamento com estresse.
Os tratamentos com déficit hídrico foram impostos aos 29 dias após a semeadura (DAS), período de pre-floração e fase de maior demanda hídrica, sendo essa imposição, através da suspensão da irrigação. Foram realizados os seguintes tratamentos: controle irrigado (mantidos a 80% da CC durante todo o ciclo) e déficit hídrico progressivo até chegar ao déficit severo (Ѱw de -1,5 MPa, aproximadamente 9 dias de déficit), após atingir o déficit severo, a irrigação foi retomada por um período de 4 dias.
2.2.3. Delineamento experimental e análise estatística
O delineamento experimental utilizado foi o inteiramente casualizado, em esquema fatorial 3x2 (3 genótipos x 2 condições hídricas do solo) com 5 repetições para cada tratamento, totalizando 30 unidades experimentais. Os dados foram submetidos à análise de variância (ANOVA) e, quando significativos, as médias foram comparadas pelo teste de Tukey ao nível de 5% de significância. Os programas utilizados para as análises estatísticas e confecção dos gráficos foram o SAS University e Sigmaplot [versão 11.0, (SYSTAT Software, inc.)], respectivamente.
2.2.4. Análises de crescimento
Para as variáveis de crescimento foram avaliados: altura da parte aérea (ALT), número de folhas (NF), diâmetro do caule (DC). As avaliações foram iniciadas no 1º dia após a imposição do estresse hídrico, sendo continuada a cada 2 dias, até atingir o máximo estresse (9 dias). Após a retomada da irrigação, foi realizada mais uma avaliação.
As avaliações foram iniciadas no 1º dia após a imposição do estresse hídrico, sendo continuada a cada 2 dias, até atingir o máximo estresse (9 dias). Após a retomada da irrigação, foram realizadas mais duas avaliações. Para as características morfológicas, realizou-se apenas uma avaliação após a retomada da irrigação.
2.2.5. Análises fisiológicas
2.2.5.1. Caracterização de alterações nos parâmetros de trocas gasosas e fluorescência da clorofila a e índice SPAD
A análise dos parâmetros fotossintéticos foi realizada das 08:00 às 11:00 h no terceiro trifólio completamente expandido utilizando um analisador de gases por infravermelho (IRGA, Li-Cor - Li6400 XT) com concentração de CO2 na câmara a 400 µmol mol-1 e 1500
µmol photons m-2 s-1. Foram mensurados a taxa fotossintética líquida (A, µmol CO2 m-2 s-1),
condutância estomática (gs, mol H2O m-2 s-1), concentração interna de CO2 (Ci, µmol CO2
mol-1) e transpiração (E, mmol m-2 s-1). A partir das razões A/E e A/Ci, foram calculadas a
Eficiência do Uso da Água (EUA) e Eficiência Intrínseca de Carboxilação (EiC), respectivamente.
A fluorescência da clorofila a foi realizada utilizando o fluorômetro acoplado ao IRGA (6400-40, LI-COR, USA) na mesma folha em que foram avaliadas as trocas gasosas. As plantas foram aclimatadas ao escuro por 30 minutos, obtendo os parâmetros de fluorescência mínima (Fo) e, após um pulso de luz saturante, foi obtido a fluorescência
máxima (Fm). Em seguida foi calculada a eficiência fotoquímica potencial do PSII, expressa
pela relação Fv/Fm. Com os parâmetros de fluorescência coletados no claro (no mesmo
momento da determinação das trocas gasosas) foram determinados o rendimento quântico efetivo do FSII (ɸFSII), taxa de transporte de elétrons (ETR), quenching fotoquímico (qP),
quenching não-fotoquímico (qN) e o coeficiente de extinção não-fotoquímico (NPQ). Além disso, avaliou-se o teor de clorofila com um leitor de índice SPAD (Soil Plant Analysis Development)
2.2.6. Produção de vagens
Para a caracterização das vagens, avaliou-se ao final do experimento (55 DAS) em plantas controles e reidratadas: comprimento da vagem (CVA), número de vagens por planta (NVP), número de sementes por vagens (NSV) e peso de 100 sementes (P100S).
2.3. Resultados
2.3.1. Efeito do estresse hídrico progressivo no crescimento e índice SPAD
As cultivares de feijão-caupi apresentaram comportamento diferenciado (P < 0,05) pelo teste de Tukey em todas as características avaliadas de crescimento, o que indica a existência de variabilidade entre os diferentes genótipos estudados nestas condições. Para o comprimento da parte aérea (Fig. 1A), observou-se efeito significativo do estresse hídrico a partir do quinto dia de déficit, sendo o genótipo Feijão de Moita (FM) o único afetado, apresentando redução na taxa de crescimento. Já no máximo estresse (9 dias), os genótipos Pingo de Ouro 1,2 (PO) e Sempre Verde (SV) irrigados apresentaram diferenças significativas para o comprimento da parte aérea. Ao final do período de reidratação (13 dias), não houve recuperação da parte aérea dos genótipos cultivados sob estresse hídrico.
Co m pr im ento da pa rte a ér ea (c m ) 30 60 90 120 150 180 BRS PO 1,2 Irrigado BRS PO 1,2 DH Sempre verde Irrigado Sempre verde DH Feijão de Moita Irrigado Feijão de Moita DH DC (m m ) 6 8 10 12 14 1 3 5 7 9 11 13 Índi ce SPAD 35 40 45 50 55 60 1 3 5 7 9 11 13 NF 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Reidratação Reidratação A B D C
FIGURA 1. Efeitos do estresse hídrico progressivo e reidratação no: comprimento da parte aérea (A), DC – Diâmetro do caule (mm) (B); NF - Número de folhas (C); Índice SPAD (D) em três genótipos de feijão-caupi: Pingo-de-Ouro 1,2 (círculos), Sempre Verde (triângulos) e Feijão de Moita (quadrados). Marcações pretas significa tratamento controle, enquanto que marcações brancas remetem ao estresse hídrico. De 9 – 13 dias representa a fase de reidratação. Valores são médias (± EP) para quatro plantas.
Para o diâmetro do caule (Fig. 1B), foram observadas diferenças significativas apenas ao final da reidratação, onde SV e PO diferiram dos seus controles. Para o número de folhas (Fig. 1C), observou-se diferenças entre os tratamentos no máximo estresse hídrico e após a reidratação. Para o índice SPAD (Fig. 1D), foram observadas diferenças significativas entre os tratamentos ao final da reidratação, com o genótipo PO irrigado apresentando maior média e o FM sob estresse com média inferior. Esse índice é importante, pois os teores de clorofila estão diretamente relacionados às taxas fotossintéticas e consequentemente, afetam o crescimento da planta.
2.3.2. Efeito do estresse hídrico e reidratação em parâmetros fotossintéticos
A fotossíntese líquida (A) (Fig. 2A) apresentou uma tendência de queda para os três genótipos sob condição de seca progressiva. No terceiro dia, a redução foi de 58,9, 60,0 e 56,9% para os genótipos PO, SV e FM, respectivamente. O valor mínimo foi verificado no
máximo estresse (nove dias de suspensão hídrica), no momento em que o potencial hídrico das plantas atingiu valor negativo em torno de -1,5 MPa. Não houve diferença significativa entre os genótipos. A retomada da irrigação favoreceu a recuperação da A, onde, após quatro dias de reidratação, observou-se recuperação em nível de controle em todos os genótipos.
A (µ m ol CO2 2 m -2 s -1) 0 7 14 21 28 35 PO C PO RD Sempre verde C Sempre verde RD Feijão de Moita C Feijão de Moita RD g s (m o l m -2 s -2 ) 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 E (m o l m --2 s-2 ) 0 2 4 6 8 10 12 Ci /Ca 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1 3 5 7 9 11 13 W UA [( µ m ol CO 2 (m m o l H O ) 2 -1)] -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 Reidratação Reidratação A B C D E 1 3 5 7 9 11 13 E IC (µ m ol .m -2.s -1.P a -1) -0,04 0,00 0,04 0,08 0,12 0,16 F
Figura 2. Efeitos do estresse hídrico progressivo e reidratação nos parâmetros fotossintéticos de três genótipos de feijão-caupi: Pingo-de-Ouro 1,2 (círculos), Sempre Verde (triângulos) e Feijão de Moita (quadrados). Marcações pretas significa tratamento controle, enquanto que marcações brancas remetem ao estresse hídrico. De 9 – 13 dias representa a fase de reidratação. Valores são médias (± EP) para quatro plantas.
As respostas de condutância estomáticas (gs) (Fig. 2B) foram semelhantes às de A, porém, com decréscimo quase que imediato após a imposição do estresse hídrico. Os três genótipos sob estresse foram influenciados negativamente e não apresentaram diferenças significativas entre si. A partir do quinto dia, os valores foram constantes (em torno de 0,03 mol H2O m-2 s-2 para todos os genótipos) até o máximo estresse. As reduções na abertura
estomática até o máximo estresse foram de 93,88, 93,47 e 94,64% para os genótipos PO, SV e FM, respectivamente. Após a reidratação, a recuperação só foi observada no quarto dia de irrigação, demonstrando que pode haver recuperação nessa variável se houver a retomada da irrigação ou ocorrência de chuvas.
A taxa de transpiração (Fig. 2C) mostrou-se responsiva ao déficit hídrico, com tendência de queda após imposição de estresse, não sendo verificadas diferenças significativas entre os genótipos sob mesmas condições. A partir do quinto dia de exposição, os valores foram constantes até o máximo estresse. As reduções para os três genótipos foram em média 90%. Após a retomada da irrigação, verificou-se reestabelecimento dessa variável, com valores próximos ao nível de controle logo após dois dias de irrigação. Não houve diferença significativa ao final da reidratação entre os tratamentos, nem entre os genótipos.
Para a razão Ci/Ca (Fig. 2D), inicialmente foi observado uma redução em função do fechamento dos estômatos e redução do influxo de CO2, porém, a intensificação do
estresse hídrico causou um aumento nessa razão possivelmente pelo aumento da respiração e acúmulo de CO2. Ao final do estresse hídrico os valores das plantas sob déficit foram
superiores aos seus controles. Não houve diferença estatística entre os genótipos dentro dos tratamentos. Na primeira avaliação após a reidratação, observou-se recuperação em nível de controle.
A eficiência instantânea do uso da água (Fig. 2E) variou conforme o decorrer da exposição ao estresse, com plantas sob restrição hídrica apresentando médias superiores as do tratamento irrigado no terceiro dia de exposição, porém sem diferença estatística. A partir disso, houve redução significativa até o máximo estresse hídrico (nove dias), onde o genótipo Sempre Verde diferiu dos demais genótipos. A redução nessas taxas, do momento em que foi imposto o tratamento por seca, até o máximo estresse foi de 165, 223,5 e 150% para os genótipos BRS Pingo-de-Ouro 1,2, Sempre Verde e Feijão de Moita, respectivamente. Após a reidratação as plantas se restabeleceram em nível de controle já na primeira avaliação com dois dias.
A eficiência instantânea de carboxilação (Fig. 2F) reduziu progressivamente, com as menores médias sendo verificadas no máximo estresse, com reduções em média de 90% para todos os genótipos. Após a reidratação observou-se recuperação ao longo dos quatro dias, sendo que ao final dessa fase não houve diferenças significativas entre os tratamentos e nem entre genótipos.
2.3.3. Efeito do estresse hídrico e reidratação nos parâmetros de fluorescência da clorofila a
A eficiência quântica potencial do PSII (Fig. 3A) não diferiu entre os tratamentos, nem entre os genótipos, apresentando valores que variaram de 0,78 a 0,85 ao longo do período de avaliação, sendo PO controle superior aos demais no primeiro dia. Em geral, o genótipo tolerante apresentou as maiores médias, no tratamento irrigado. Após o reestabelecimento da irrigação as médias tiveram um leve acréscimo após quatro dias. Já o rendimento quântico efetivo do FSII (Fig. 3C) decresceu com a intensificação do déficit hídrico. Ao final da reidratação houve recuperação dessa variável nas plantas do tratamento por seca. Fv /Fm 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 PO C PO RD Sempre verde C Sempre verde RD Feijão de Moita C Feijão de Moita RD qp 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 PS II 0,05 0,15 0,25 0,35 qN 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 3 5 7 9 11 13 N QP 0,45 0,95 1,45 1,95 2,45 2,95 Reidratação Reidratação A B C D E 1 3 5 7 9 11 13 ETR 0 50 100 150 200 250 F
Figura 3. Efeitos do estresse hídrico progressivo e reidratação nos parâmetros de fluorescência da clorofila a de três genótipos de feijão-caupi: Pingo-de-Ouro 1,2 (círculos), Sempre Verde (triângulos) e Feijão de Moita (quadrados). Marcações pretas significa tratamento controle,
enquanto que marcações brancas remetem ao estresse hídrico. De 9 – 13 dias representa a fase de reidratação. Valores são médias (± EP) para quatro plantas.
A figura 3B e 3F mostram os efeitos do estresse hídrico progressivo sobre as variáveis quenching fotoquímico (qP) e taxa de transporte de elétrons (ETR), onde observou-se uma tendência de queda observou-semelhante em ambos. Para o qP a redução entre o momento da imposição do déficit até o máximo estresse hídrico foi de 72,3, 67,85 e 61,40% para os genótipos Pingo-de-Ouro 1,2, Sempre Verde e Feijão de Moita, respectivamente. Para a ETR os efeitos do déficit hídrico causaram em média para os três genótipos uma redução da ordem de 80%. Após a reidratação observou-se que ambas as variáveis mostraram respostas positivas e que após quatro dias houve recuperação a nível do tratamento controle.
Para as variáveis NPQ e qN (figura 3E e 3D, respectivamente) houveram acréscimos nas médias em resposta ao déficit hídrico, enquanto que o tratamento controle apresentou pequenas variações. Para o NPQ, observou-se que o tratamento com restrição hídrica incrementou as médias nas seguintes proporções: 166,70% para o genótipo P.O 1,2, 149,37% para o SV e 181,65% para o FM. Para o qN o estresse hídrico também incrementou as médias dos três genótipos, com variações em torno de 50% para todos.
2.3.4. Efeito do estresse hídrico sobre caracteres produtivos em diferentes genótipos de feijão-caupi.
Todos os componentes do rendimento mostraram-se influenciados pelo estresse hídrico, com exceção do Número de Sementes por Vagem (NSV) (Tabela 2). Para o CVA, apenas o PO apresentou diferença entre os tratamentos, com redução significativa de 17,74%. Fazendo uma comparação entre os genótipos, notou-se que os genótipos crioulos apresentaram maiores médias para o Comprimento das Vagens CVA quando expostos ao déficit e reidratação. Para o Número de Vagens por Planta (NVP) todos os genótipos diferiram entre os tratamentos, com destaque para o genótipo PO, que apresentou médias superiores ao tratamento controle, com um incremento nessa variável de 53,33%. Já os demais genótipos apresentaram reduções em torno de 50% no NVP. Entre os genótipos, o destaque foi para o genótipo PO que diferiu dos demais genótipos quando submetido ao estresse hídrico e reidratação. O NSV não diferiu entre os tratamentos, nem entre os genótipos, porém, podemos notar uma leve redução nas médias dos tratamentos que passaram por estresse. O P100S diferiu entre os tratamentos,
apensas entre os genótipos crioulos, com reduções em torno de 25% para ambos. Entre os genótipos, o PO apresentou médias significativamente superiores após estresse hídrico. Tabela 2. Efeito do estresse hídrico sobre caracteres produtivos em diferentes genótipos de feijão-caupi.
Tratamento CVA (cm) NVP (und) NSV (und) P100S (g)
BRS PO 1,2 C 20,63 ± 1,03 a 6,00 ± 0,82 b 13,00 ± 0,91 23,89 ± 1,41 a BRS PO 1,2 DH 16,97 ± 0,72 bB 9,50 ± 0,65 aA 10,20 ± 0,65 21,21 ± 0,37 aA Sempre Verde C 21,41 ± 0,72 a 6,25 ± 0,63 a 12,66 ± 0,77 20,12 ± 0,85 a Sempre Verde DH 19,56 ± 0,48 aA 3,25 ± 0,85 bB 11,95 ± 0,66 15,74 ± 0,66 bB Feijão de Moita C 21,41 ± 0,73 a 6,25 ± 0,68 a 13,80 ± 1,07 20,92 ± 0,68 a Feijão de Moita DH 19,71 ± 0,59 aA 3,25 ± 0,48 bB 11,89 ± 0,94 14,74 ± 0,46 bB
CVA – Comprimento das vagens; NVP – Número de vagens por planta; NSV – Número de sementes por vagens; P100s – Peso de cem sementes. Médias seguidas de mesmas letras minúsculas (entre os tratamentos), e letras maiúsculas (comparação entre os genótipos), não diferem entre si pelo teste de Tukey, a 5% de probabilidade.
2.4. Discussão
A água é considerada o principal fator ambiental de regulação do crescimento e desenvolvimento de uma planta, assim, a capacidade para resistir ou tolerar à falta de água é de fundamental importância para a continuidade do seu ciclo de vida (SHAO et al., 2008). Portanto, o conhecimento das respostas de diferentes genótipos em condição de estresse hídrico e da capacidade de recuperação após a reidratação têm sido recentemente, tema de muitas pesquisas, ainda mais, quando se torna imprescindível o mapeamento das respostas de diferentes materiais genéticos de feijão-caupi. Com isso, este artigo buscou caracterizar através de paramentos de crescimento e fotossintéticos de duas variedades tradicionais de feijão-caupi e um genótipo tolerante, comparando-os quanto à tolerância à seca no semiárido brasileiro. Os resultados obtidos mostraram que os comportamentos entre os genótipos foram semelhantes, induzindo a ideia de que os genótipos crioulos apresentam mecanismo de tolerância à seca semelhante ao genótipo PO.
No presente estudo, foi demostrado efeito do déficit hídrico e da reidratação para as variáveis de crescimento. Observou-se maior sensibilidade dos genótipos à seca, principalmente para o comprimento da parte aérea e número de folhas (Figuras 1A e 1C, respectivamente), com inibição significativa do crescimento no máximo estresse. Já após a retomada da irrigação, percebe-se recuperação, porém, ao final do experimento as plantas controles foram estatisticamente superiores. Enquanto isso, o DC (Fig. 1B) apresentou
variações ao longo do experimento, sendo perceptível ligeiro decréscimo no máximo estresse, no entanto, foi observado valores crescente após a reidratação, demostrando haver capacidade de recuperação por parte dos genótipos, se houver a retomada da irrigação após esse período de déficit. Por outro lado, o índice SPAD demostrou tendência de redução com a intensificação do déficit hídrico, ou pela maior degradação ou pela menor síntese.
As plantas quando cultivadas sob condições de restrição hídrica podem ter o crescimento, o desenvolvimento e a produção comprometidas, em função da baixa disponibilidade de água (NOBRE et al., 2013). Ainda sobre isso, os autores citam que a redução no potencial hídrico dos tecidos provoca restrição no crescimento uma vez que as taxas de elongação e de divisão celular dependem diretamente do processo de extensibilidade da parede celular (SOUSA et al., 2011). De fato, os dados principalmente de comprimento da parte aérea e número de folhas, demonstraram esse tipo de resposta. Em relação ao índice SPAD, o mesmo é importante para a determinação dos teores de clorofila, por ser um método não invasivo e rápido, além disso, os teores de clorofila estão diretamente relacionados às taxas fotossintéticas e consequentemente, afetam o crescimento da planta.
Entender as mudanças fisiológicas causadas nos vegetais por conta dos diversos eventos abióticos, sobre tudo à seca, tem gerado bastante debate (CELESTE et al., 2018; CONCEIÇÃO et al., 2019; BHUSAL; HAN; YOON, 2019). Como umas das principais respostas quanto se estuda o comportamento das plantas em ambientes desfavoráveis, as trocas gasosas têm sido amplamente utilizadas para detectar os efeitos do estresse no funcionamento do sistema fotossintético (LIU et al., 2019). Essas determinações permitem caracterizar a extensão das alterações no controle estomático em resposta ao déficit hídrico, e suas consequências no metabolismo fotossintético da folha.
Durante o estresse hídrico, os danos à maquinaria fotossintética ocorrem principalmente a partir da restrição da abertura estomática, governada pela baixa disponibilidade hídrica no solo (HLAVÁČOVÁ et al., 2018; TOMBESI et al., 2018). Como resultado, a planta evita a perda de água pelos estômatos, mas, em contrapartida, ocorre restrição à produção, devido à limitação na fixação de CO2, inibindo assim, seu crescimento e
desenvolvimento (RIVAS et al., 2016).
Em geral, o feijão-caupi apresenta sensibilidade ao déficit hídrico. No presente estudo observou-se queda progressiva das taxas de A, E, gs e EiC (Fig. 2) com a intensificação do estresse em todos os genótipos e outros trabalhos relatam respostas semelhantes (SINGH; REDDY, 2011; MUNJONJI et al., 2018). Porém, de acordo com resultados obtidos, parece ocorrer uma rápida recuperação quando houve a retomada da
irrigação. Estes resultados corroboram com estudo sobre respostas de genótipos de feijão-caupi à seca e reidratação elaborado por Rivas et al. (2016), onde evidenciaram que a intensificação do estresse hídrico reduziu as taxas de fotossíntese líquida e condutância estomática, apresentando reestabelecimento dos mesmos após a reidratação.
As respostas de E e A estão diretamente relacionadas ao fechamento estomático induzido pela imposição do estresse hídrico, como medida utilizada a fim de reduzir a perda de água para a atmosfera (DUTRA et al., 2015; NAIDOO; NAIDOO, 2018). Os três genótipos mostraram-se eficiente nessa regulação estomática e redução nas taxas de E, como mecanismo para reduzir a perda de água (BHUSAL; HAN; YOON, 2019; LIU et al., 2019). Já para a eficiência do uso da água (Fig. 1E), observou-se respostas positivas até o quinto dia de restrição hídrica para os três genótipos, revelando que essa regulação da EUA pode ser eficaz para tolerância a estresse moderado (5 dias). Para essa variável, o genótipo FM apresentou médias significativamente inferiores no estresse máximo, indicando que a prolongação do déficit o tornaria mais susceptível em relação aos demais. Trabalho realizado por Carvalho et al., 2019 corroboram com os dados da presente pesquisa, e sugere ainda que a maior eficiência na regulação da EUA pode caracterizar genótipos tolerantes.
A razão Ci/Ca (Fig. 2D) variou ao longo do período de exposição à seca, com
médias decrescendo nos primeiros dias em todos os genótipos, provavelmente em função do baixo influxo de CO2, ocorrido em decorrência do fechamento estomático. Após esse período,
houve aumento contínuo nessa razão até nove dias, para as plantas sob estresse. Como o CO2
ambiente é constante, esse aumento sugere que está havendo um acúmulo de CO2 no interior
do mesófilo foliar, provavelmente, esse acúmulo esteja ocorrendo em função de limitações bioquímicas em enzimas envolvidas na fixação de CO2, que impedem a planta de assimilá-lo
(GUERRA et al., 2014; TATAGIBA et al., 2014).
A eficiência instantânea de carboxilação (fig. 2F) é uma variável que apresenta estreita relação com a concentração interna de CO2 e a taxa de assimilação do mesmo, além
disso, depende da atividade de enzimas que regulam a fotossíntese (SILVA et al., 2015; DUTRA et al., 2015). No presente estudo, as médias foram decrescentes após a imposição do déficit. Esses dados sugerem que o mecanismo de assimilação de CO2, pode está
comprometido, favorecendo assim o acúmulo de carbono e influenciando negativamente as taxas fotossintéticas, contribuindo, portanto, para um decréscimo na EiC, em outras palavras, o aumento nessa variável sugere limitações estomáticas e não estomáticas (SILVA et al., 2016b). Após a reidratação, a EiC apresenta estabelecimento a nível de controle, muito em função da estabilização das taxas de A.
Portanto, a recuperação das taxas de trocas após a reidratação indica que o estresse hídrico não afetou permanentemente a maquinaria e atividade fotossintética (SOUZA et al., 2004), e que a retomada da irrigação após o estresse é fundamental para a sobrevivência dos vegetais, levando a aceitação da hipótese de que a manutenção da irrigação após período de déficit é uma estratégia para caracterizar mecanismos de adaptabilidade ou tolerância à seca.
O estresse hídrico afeta o PSII do órgão fotossintético das plantas, portanto, considera-se fundamental o estudo das variáveis de fluorescência da clorofila a, principalmente por ser considerado um método não destrutivo e rápido para avaliar a influência do déficit hídrico na fotossíntese de plantas (LI et al., 2017; LIU et al., 2019). Os dados de fluorescência mostraram que a razão Fv/Fm não diferiu entre os tratamento, nem entre os genótipos, demostrando que houve comprometimento do rendimento quântico máximo do PSII. A razão Fv/Fm indica a dissipação fotoquímica de energia e expressa a eficiência de captura desta energia de excitação pelos centros de reação abertos do PSII, vale ressaltar que em alguns trabalhos as plantas sob estresse hídrico severo apresentam razão abaixo de 0,6, o que não aconteceu no presente estudo (SILVA et al., 2006; VILAGROSA et al., 2010). Ralph et al. (2017) demonstraram redução da razão Fv/Fm em função do estresse hídrico.
O ΦFSII, qP e ETR decresceram com a intensificação do déficit hídrico. O ΦFSII em
condições estressantes é frequentemente regulado negativamente pela diminuição da capacidade de assimilação de CO2 o que ocorre em função do acúmulo de energia
(VILAGROSA et al., 2010; LIU et al., 2019). Essa energia em condições normais seria utilizada para a fixação de carbono na fase bioquímica da fotossíntese, outros autores demostraram resultados semelhantes (NAIDOO; NAIDOO, 2018; LI et al., 2019). O qP indica o quanto de energia captada está sendo destinada a fotoquímica, e sua redução indica que menos energia está sendo destinada a fotossíntese, o que contribui para a queda observada nos valores de A (SILVA et al., 2006; FALQUETO et al., 2007). Logo os dados de qP e em paralelo com a queda em A sugerem haver danos no PSII. O ETR apresentou redução nos três genótipos sob estresse, o que pode ser indício de danos ao PSII. Durante a etapa de fixação de CO2 a energia é um substrato essencial, logo danos a cadeia transportadora de elétrons irá
causar prejuízos na produção de energia na forma de ATP e poder redutor (NADPH). Souza et al. (2004) demostrou resultados q corroboram com o presente estudo.
As variáveis NPQ e qN representam mecanismos de proteção empregados pelos vegetais, a fim de dissipar o excesso de energia luminosa. O NPQ refere-se à dissipação de
energia na forma de calor, com isso, o excesso de energia a mais absorvida pelas plantas pode ser dissipado, indicando um mecanismo fotoprotetor das plantas (LI et al., 2019). No presente estudo demostrou-se que o aumento nessa variável foi contínuo até o máximo estresse, o que indica está havendo danos fotoinibitórios. O qN diz respeito a eliminação de energia na forma de calor, portanto, quando A é limitada pelo conteúdo de ATP, a energia de excitação em excesso pode ser dissipada por meio dessa variável, logo, neste estudo, observou-se que as plantas exibem tais mecanismos de dissipação de energia, como medida responsiva a intensificação do estresse hídrico. De forma geral, os crescentes valores de qN e NPQ obtidos nos três genótipos de feijão caupi quando exposta estresse severo podem indicar um mecanismo de fotoproteção do aparato fotossintético contra o elevado fluxo de fótons incidente, refletindo a sensibilidade do aparato fotossintético à luminosidade elevada (CASSOL; RALPH; ANTONIO, 2007).
De maneira geral, o aparato fotoquímico do caupi mostrou-se sensível nos três genótipos, quando foi imposto o déficit hídrico. Logo medidas de fluorescência da clorofila a, são bons parâmetros para identificar repostas do caupi à seca, com isso podemos observar que as indiferenças significativas entre os genótipos crioulos versus o genótipo padrão de tolerância, indicam que tais materiais genéticos podem ser utilizados em programas de melhoramentos, visando a obtenção de cultivares com características de tolerância.
Comparando os genótipos sob déficit hídrico, observou-se que o PO apresenta características que confirmam seu potencial de tolerância, uma vez que para NVP e P100S
apresentaram médias superiores aos demais genótipos. As características NVP, NSV e P100S
estão fortemente relacionadas ao rendimento de grãos, de modo que um genótipo tolerante ao estresse hídrico deve apresentar elevados valores dos componentes de produção secundários (SILVA et al., 2016a). A área foliar pode estar diretamente relacionada com a produção, tendo em vista que, as folhas são fonte de fotoassimilados para o desenvolvimento das raízes, e que estas são estruturas que participam da assimilação de nutrientes e desempenham importante papel na resistência ao déficit hídrico (BONFIM-SILVA et al., 2011), logo o fato dos genótipos crioulos sob estresse terem apresentado números de folhas e NVP inferiores ao tratamento controle, corroboram que a hipótese que a produção depende de uma maior área foliar. No entanto, o genótipo tolerante apresentou respostas superiores no tratamento sob estresse, para essa variável.
3. CONCLUSÕES
1. O estresse hídrico afetou negativamente os genótipos de feijão-caupi, sobretudo nos genótipos tradicionais, que apresentaram efeitos negativos em nível morfológico e produção de vagens, sendo o genótipo Feijão de Moita o mais sensível ao déficit.
2. Os genótipos crioulos apresentaram características de trocas gasosas e fluorescência da clorofila a semelhantes ao genótipo padrão de tolerância, BRS Pingo de Ouro 1,2.
3. Todos os genótipos apresentaram recuperação após a reidratação.
4. Para as características de vagens o genótipo Pingo-de-Ouro 1,2, em geral, apresentou melhores respostas sob condição estresse.
4 CAPÍTULO 2 - ASPECTOS FISIOLÓGICOS E BIOQUÍMICOS ENVOLVIDOS NA TOLERÂNCIA AO DÉFICIT HÍDRICO EM VARIEDADES TRADICIONAIS DE FEIJÃO-CAUPI
4.1 Introdução
A necessidade do uso de irrigação na agricultura tem crescido expressivamente, contudo, o estresse hídrico ainda afeta cerca de 25% das terras agrícolas em todo o mundo (ABIDO; ZSOMBIK, 2018). Nas regiões áridas e semiáridas do mundo e, em particular, no Nordeste brasileiro, a irregularidade das chuvas é um dos principais fatores limitantes da produção. Nessas regiões a ocorrência de déficit hídrico é comum e associado a altas temperaturas causam danos significativos aos vegetais.
A identificação e o entendimento dos mecanismos que conferem tolerância à seca são fundamentais para o melhoramento genético. No entanto, essas respostas são complexas, sendo controladas por uma grande variedade de genes e envolvendo ações adaptativas e efeitos deletérios por parte dos vegetais. Hoje, sabe-se que as plantas utilizam diversas estratégias para evitar, ou até mesmo, tolerar à seca (FREITAS et al., 2017), com modificações fisiológicas, bioquímicas e morfológicas (SILVA et al., 2018).
Durante o estresse hídrico, os danos à maquinaria fotossintética ocorrem principalmente a partir da restrição da abertura estomática, governada pela baixa disponibilidade hídrica no solo (HLAVÁČOVÁ et al., 2018; TOMBESI et al., 2018). Como resultado, a planta evita a perda de água pelos estômatos, mas, em contrapartida, ocorre restrição à produção devido à limitação na fixação de CO2, inibindo assim, seu crescimento e
desenvolvimento (RIVAS et al., 2016). Além disso, a fotossíntese pode sofrer ainda limitações bioquímicas que ocorrem em virtude do comprometimento da produção e atividade da enzima Ribulose 1,5-bifosfato carboxilase/oxigenase (Rubisco) e fornecimento de Adenosina trifosfato (ATP) (SINGH; RAJA REDDY, 2011; RIVAS et al., 2016). Ainda, o estresse hídrico severo pode causar fotoinibição crônica com danos irreversíveis a proteína D1, que faz parte do centro de reação do fotossistema II (PSII) (HAO et al., 1999).
Outros processos também são afetados pelo estresse hídrico, como a abscisão foliar, expansão celular, acúmulo de ácidos orgânicos, mudanças no metabolismo de carboidratos, redução do potencial hídrico e turgescência celular, ajustamento osmótico além do aumento desordenado da produção de espécies reativas de oxigênio (EROs), que podem
causar danos oxidativos às células (FAROOQ M. et al., 2009; BONFIM-SILVA et al., 2011; GALMÉS et al., 2011; ASHRAF; HARRIS, 2013; HASSAN; ALI; ALAMER, 2018).
Sabe-se que a água é um fator decisivo para o cultivo agrícola, sendo de fundamental importância desde a fase vegetativa até a reprodutiva. Dentre as espécies cultivadas em larga escala podemos citar como destaque o feijão-caupi (Vigna unguiculata (L.) Walp.), uma planta originária da África, sendo classificada como uma leguminosa anual pertencente à família Fabaceae. Entre as vantagens do seu cultivo e consumo, podemos citar: o fácil manejo, excelente fonte proteica, possui bom conteúdo de carboidratos, vitaminas, minerais, fibras e compostos fenólicos com ação antioxidante que podem reduzir a incidência de doenças (MEDEIROS et al., 2017; SILVA et al., 2016).
Apesar de toda sua importância, o feijão-caupi tem seu potencial genético pouco explorado, o que contribui para baixas produtividades na região Nordeste (DUTRA et al., 2015). Diante disso, o uso de cultivares e genótipos adaptados ao regime de sequeiro, que apresentem boa adaptabilidade e manutenção das trocas gasosas, mostra-se como uma alternativa viável a fim de promover melhor desenvolvimento e aumento da produtividade da cultura.
Diante da importância do conhecimento das respostas de diferentes genótipos em condição de estresse hídrico e da importância da cultura do feijão-caupi, foi hipotetizado que o mapeamento das respostas de variedades tradicionais de feijão-caupi produzidas por agricultores no Nordeste Brasileiro é uma estratégia para caracterizar mecanismos de adaptabilidade ou tolerância à seca. Com isso, o presente trabalho tem como objetivo a caracterização fisiológica, morfológica e bioquímica em variedades tradicionais de feijão-caupi quanto a tolerância à seca no semiárido brasileiro.
4.2. Material e métodos
4.2.1. Localização do experimento
O experimento foi conduzido no município de Fortaleza/Ceará, Brasil, situada na zona litorânea a 15,49 m de altitude, 3º43’02” de latitude sul e 38º32’35” de longitude oeste, em casa de vegetação, no Campus do Pici, na Universidade Federal do Ceará (UFC).
Foram utilizados três genótipos de feijão-caupi, sendo duas variedades tradicionais que apresentaram características de tolerância ao déficit hídrico em nível de plântula segundo Fiege (2017), e um genótipo padrão para tolerância à seca (BRS Pingo de ouro 1,2) (RIVAS et al., 2016). As sementes foram inicialmente pré-germinadas em papel germitest por um período de 48h (até a protusão da radícula) com a finalidade de garantir a uniformidade do stand e então transplantadas para as colunas de PVC, que possuíam as seguintes medidas: diâmetro de 0,15 m e altura de 0,5 m. As colunas foram preenchidas com solo de textura média e adubado de acordo com a recomendação nutricional da espécie, baseado na análise química do solo (Tabela 1). O desbaste foi realizado sete dias após a semeadura (DAS), mantendo uma planta por coluna.
Tabela 1. Análise de fertilidade do solo. Fortaleza-CE, 2018.
C M.O pH P K Ca Mg Na Al H+AL SB CTC V PST CE
g kg-1 mg
dm³ mmolc dm³ % dS m
-1
7,39 12,75 6,6 102 1,24 20,7 6,6 0,33 ND 8,3 28,8 37,1 78 1 0,35
M.O – Matéria Orgânica; SB – Saturação por Base; CTC – Capacidade de Troca de Cátions; PST – Porcentagem de Sódio Trocável.
A capacidade de campo (CC) foi determinada, conforme descrito por Souza et al. (2000), considerando a diferença entre o peso do solo úmido após a saturação e a drenagem livre, e o peso do solo seco ao ar. A manutenção da CC foi feita diariamente em todas as colunas, por gravimetria, pesando-as e repondo o volume de água perdido pela evapotranspiração, utilizando uma balança com capacidade para 20 kg até a imposição do déficit nos tratamento com estresse.
Os tratamentos com déficit hídrico foram impostos aos 29 DAS, através da suspensão da irrigação. Os tratamentos consistiram em: controle irrigado (mantidos a 80% da CC durante todo o ciclo), déficit moderado (até alcançar Ѱw de -0,8 MPa, aproximadamente 5 dias de déficit) e déficit severo (até alcançar Ѱw de -1,5 MPa, aproximadamente 9 dias de déficit).
O delineamento experimental utilizado foi o inteiramente casualizado, em arranjo fatorial 3x3 (3 genótipos x 3 condições hídricas do solo) com 5 repetições para cada tratamento, totalizando 45 unidades experimentais. Os dados foram submetidos à análise de variância (ANOVA) e, quando significativos, às médias foram comparadas pelo teste t com nível de significância a 5%. Os programas utilizados para as análises estatística e confecção dos gráficos foram o SAS e Sigmaplot [versão 11.0, (SYSTAT Software, inc.)], respectivamente.
4.2.4. Coleta das plantas e medidas biométricas
A coleta e avaliações destrutivas foram realizadas quando as plantas atingiram os Ψw de cada tratamento, sempre no mesmo horário. Foram avaliados a altura da parte aérea
(ALT), número de folhas (NF), diâmetro do caule (DC), e com o auxílio um integrador de área (LI-3100, Li-COR, Inc., Lincoln, NE, USA) foi avaliado a área foliar total (AF). Por fim, foram avaliados o comprimento das raízes (CR), volume radicular (VR), e a partir dos dados de crescimento da parte aérea e raiz, foi calculada a razão R/PA. As duas folhas mais jovens completamente expandidas, a partir do ápice, e o terço distal das raízes foram coletados de cada repetição, congelados imediatamente em N2 líquido e armazenados em ultrafreezer a -80 o
C para posterior utilização nas análises enzimáticas, solutos orgânicos e demais análises. Parte do material vegetal, no estado fresco, foi utilizado para a determinação do TRA, pigmentos fotossintéticos e antocianinas.
4.2.5. Caracterização fisiológica
4.2.5.1. Estado hídrico da planta e teor relativo de água (TRA)
O Ψw da folha foi medido no pré-amanhecer (06:00 h), momento em que a planta
se encontra em equilíbrio com o solo, usando uma bomba de pressão do tipo Scholander (SCHOLANDER et al., 1964). O teor relativo de água (TRA) foi determinado como descrito por Alti (1960). Das primeiras folhas completamente expandidas, foram retirados 10 discos de 1,0 cm de diâmetro. Após pesagem e obtenção da massa fresca (MF), os discos foliares foram imersos em água destilada por 3 h até atingirem a massa túrgida (MT). Em seguida, os discos
foram colocados em estufa a 60 oC durante 72 h, para obtenção da massa seca (MS). O TRA foi calculado pela fórmula: TRA (%) = [(MF-MS)/(MT-MS)] x 100.
4.2.5.2. Caracterização de alterações nos parâmetros de trocas gasosas e fluorescência da clorofila a
A análise dos parâmetros ligados à fotossíntese foi realizada, sob condições normais e sob condições de estresse hídrico, das 08:00 às 11:00 h no terceiro trifólio completamente expandido utilizando um analisador de gases no infravermelho (IRGA, Li-Cor - Li6400 XT) com concentração de CO2 na câmara a 400 mol-1 mol e 1500 µmol fótons m-2 s-1. Parâmetros
como taxa fotossintética líquida (A, µmol CO2 m-2 s-1), condutância estomática (gs, mol H2O
m-2 s-1), concentração interna de CO2 (Ci, µmol CO2 mol-1) e transpiração (E, mmol m-2 s-1)
foram determinados em todos os genótipos supracitados.
A fluorescência da clorofila a foi realizada utilizando o fluorômetro acoplado ao IRGA (6400-40, LI-COR, USA) na mesma folha em que foram avaliadas as trocas gasosas. As plantas foram aclimatadas ao escuro por 30 minutos, obtendo os parâmetros de fluorescência mínima (Fo) e, após um pulso de luz saturante, foi obtida a fluorescência máxima (Fm). Em seguida, foi calculada a eficiência fotoquímica potencial do PSII, expressa pela relação Fv/Fm. Com os parâmetros de fluorescência coletados no claro (no mesmo momento da determinação das trocas gasosas) foram determinados o rendimento quântico efetivo do FSII (ɸFSII), taxa de transporte de elétrons (ETR), quenching fotoquímico (qP), quenching não-fotoquímico (qN) e o coeficiente de extinção não-fotoquímico (NPQ).
4.2.6. Caracterização bioquímica 4.2.6.1. Carboidratos solúveis e amido
Os extratos para determinação dos carboidratos solúveis foram preparados a partir de 30 mg de folhas liofilizadas que foram adicionadas a 5 mL de etanol (80%) e colocados em banho-maria a 75oC por 1h e, em seguida, centrifugados a 3000 x g a 4oC, sendo o sobrenadante coletado e os passos da extração repetidos 2x. Foram quantificados os teores do carboidratos totais, de acordo com os métodos propostos por Dubois et al. (1956).
Os extratos para determinação de amido foram preparados com o precipitado remanescente do extrato etanólico da extração dos carboidratos solúveis em que foram adicionados ao precipitado 4 mL de ácido perclórico (30%) com posterior agitação e
centrifugação. A determinação seguiu o método proposto por Dubois et al. (1956). e a concentração foi expressa em µmol de glicose g-1 de matéria seca.
4.2.6.3. Atividade de enzimas antioxidantes
Os extratos enzimáticos foram preparados a partir de 1 g de folha fresca, macerado em 4mL do tampão fosfato de potássio 50 mM, pH 7. A partir desse extrato foram mensuradas as atividades enzimáticas da peroxidase do ascorbato (APX), peroxidase do guaiacol (GPOD), catalase (CAT) e dismutase do superóxido (SOD), de acordo com os métodos de Nakano e Asada (1981), Kar e Mirsha (1976), Havir e Mchale, (1987) e Beauchamp e Fridovich (1971), respectivamente. Os teores de proteína foram quantificados no mesmo extrato das atividades enzimáticas, a partir do reagente Coomassie Blue, pelo método proposto por Bradford (1976), sendo as atividades enzimáticas expressas em µmol de H2O2.min-1. g-1 de proteína.
4.2.6.4. Danos de membranas
O nível de dano provocado pelo estresse hídrico sobre as membranas em folhas e raízes foi determinado através do vazamento de eletrólitos. Foi seguida a metodologia descrita por Singh et al. (2007), onde foram retirados discos foliares (cerca de 100 mg) e colocados em tubos de ensaio contendo 10 mL de água deionizada e mantidos em repouso em temperatura ambiente por 2h. Decorrido esse tempo, foi determinada a condutividade elétrica inicial (CE1), através de um condutivímetro de bancada. Em seguida, os tubos contendo as amostras foram aquecidos a 95º C, por 30 minutos em banho maria, para obtenção das medidas da condutividade elétrica final (CE2). O vazamento de eletrólitos (VE) foi estimado através da equação:
x 100
4.3. Resultados
4.3.1. Status hídrico da planta e Danos de membrana
A exposição ao déficit hídrico afetou o potencial hídrico de plantas de feijão-caupi (Figura 1A), contudo, não houve diferença entre as variedades estudadas. Em condição de
