UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
INSTITUTO DE BIOLOGIA
Patrícia de Britto Costa
Mecanismos de aquisição e dinâmica de uso de recursos em
espécies de Velloziaceae com estratégias hidráulicas
contrastantes
CAMPINAS 2015
Mecanismos de aquisição e dinâmica de uso de recursos em
espécies de Velloziaceae com estratégias hidráulicas
contrastantes
Dissertação apresentada ao Instituto de Biologia da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do Título de Mestra em Biologia Vegetal.
ORIENTADOR: RAFAEL SILVA OLIVEIRA
ESTE ARQUIVO DIGITAL CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA DISSERTAÇÃO DEFENDIDA PELA ALUNA PATRÍCIA DE BRITTO COSTA E ORIENTADA PELO RAFAEL SILVA OLIVEIRA.
CAMPINAS 2015
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca do Instituto de Biologia Mara Janaina de Oliveira - CRB 8/6972
Costa, Patrícia de Britto,
C823m CosMecanismos de aquisição e dinâmica de uso de recursos em espécies de Velloziaceae com estratégias hidráulicas contrastantes / Patrícia de Britto Costa. – Campinas, SP : [s.n.], 2015.
CosOrientador: Rafael Silva Oliveira.
CosDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Biologia.
Cos1. Velloziaceae. 2. Campos rupestres. 3. Plantas - Nutrição. 4.
Carboidratos não estruturais. I. Oliveira, Rafael Silva,1974-. II. Universidade Estadual de Campinas. Instituto de Biologia. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Aquisition mechanisms and resource use dynamics in Velloziaceae species with contrasting hydraulic strategies
Palavras-chave em inglês: Velloziaceae
Rupestrian fields Plants - Nutrition
Non-structural carbohydrate
Área de concentração: Biologia Vegetal Titulação: Mestra em Biologia Vegetal Banca examinadora:
Rafael Silva Oliveira
Ricardo Augusto Gorne Viani Bruna Cersózimo Arenque Musa Data de defesa: 15-12-2015
Programa de Pós-Graduação: Biologia Vegetal
COMISSÃO EXAMINADORA
Prof. Dr. Rafael Silva Oliveira
Dra. Bruna Cersózimo Arenque Musa
Prof. Dr. Ricardo Augusto Gorne Viani
Prof. Dr. Rafael Vasconcelos Ribeiro
Dr. Vinícius de Lima Dantas
Os membros da Comissão Examinadora acima assinaram a Ata de Defesa, que se encontra no processo de vida acadêmica do aluno.
Aos meus pais Silvia e Thales e meu querido irmão André, dedico a presente dissertação, com todo amor e carinho.
O mundo vai quebrar seu coração de dez maneiras diferentes até domingo, isso é garantido. Eu não posso explicar isso, ou a loucura dentro de mim e de todos os outros. Mas adivinhem? Domingo é meu dia favorito novamente! (Autor desconhecido)
aqueles que foram fundamentais para a construção e a conclusão desse trabalho:
Agradeço a Capes pelo consentimento da bolsa de pós-graduação, ao Geraldo Wilson Fernandes e a gestão da pousada Vale do Céu por possibilitar coletas em sua área particulares e por sempre nos receberem bem.
À secretaria de pós-graduação, especialmente as secretárias Silvia e Maria Roseli, por sempre serem tão solicitas em esclarecer minhas dúvidas.
Aos membros da pré-banca e banca, Prof. Dr. Rafael Ribeiro, Prof. Dr. Ricardo Viani e Dr. Bruna Arenque Musa pela compreensão e prontidão em atender o meu pedido.
Ao Rafael Oliveira, agradeço por me receber sem hesitação desde a graduação, pela compressão nos momentos de dificuldade e por me apresentar o Cerrado de forma tão bela e inspiradora. Muito Obrigada pela orientação, confiança e liberdade de realizar minhas ideias.
To Hans Lambers, for teaching me a lot about Campos Rupestres and helping me publish my first article.
Aos meus queridos amigos com quais partilhei uma casa Proveta, Vila, Lui, Bianca, Perseguida, Sheldon, Lana e cuca, e agregados Melo, Chubaca, Bruce, Dai, Taran, Fer Seraphin, Karine e Coquinho, muito obrigada por fazerem parte da minha vida durante estes anos e estarem ao meu lado em todos os momentos.
À Anna (Maria!), que me ajudou muito durante toda a minha iniciação científica e mestrado.
À Grazi, pela excelente co-orientação
Aos colegas de laboratório Carol, Mauro, Fernanda Barros, Fernanda Piruca, Azul, Xorume, Chiken, Vinicius e Paulo por tornarem os dias sempre muito agradáveis no laboratório
Aos meus pais e irmão, pelo apoio e incentivo aos estudos.
À Flaviana, que me ajudou de forma inestimável durante todo o período do mestrado.
À Samara, Adriane, Mariana, Letícia e Ligia que mesmo de longe me deram conselhos nos bons e maus momentos.
Ao meu tio Joaquim pela inspiração para trabalhar com ecologia e também por me ensinar valores que carrego para a vida.
Á Isabel Gerhardt, que mesmo aparecendo quase no final do meu mestrado me ajudou e motivou a entender as Vellozias.
severa perda de água nos tecidos vegetativos por períodos prolongados, também chamadas de ressurgentes. A maior diversidade destas espécies é encontrada em locais áridos ou em climas sazonais com uma estação seca marcante, como, por exemplo, os campos rupestres na região central do Brasil, que são caracterizados por apresentar alta sazonalidade de precipitação, com uma estação seca marcante, solos rasos ou inexistentes, pobres em nutrientes, em especial em fósforo. Uma família prevalente nos campos rupestres é a Velloziaceae, que apresenta grande riqueza de espécies, podendo apresentar espécies ressurgentes e sempre-verdes em um mesmo gênero. Espécies ressurgentes toleram a dessecação, contornando os estresses da redução sazonal na disponibilidade hídrica com mecanismos que possibilitam a tolerância a dessecação de seus tecidos vegetativos. Já as espécies sempre-verdes toleram a seca, a partir de mecanismos que possibilitam a regulação da perda de água e manutenção do turgor celular. Diversos trabalhos já elucidaram estes mecanismos, no entanto, pouco se sabe sobre a dinâmica de uso de recursos entre essas estratégias contrastantes de sobrevivência à seca. Dessa forma, o primeiro objetivo deste trabalho foi entender as diferenças na dinâmica de uso de nutrientes e carboidratos não estruturais em espécies de Velloziaceae que diferem em sua estratégia de sobrevivência à seca. Para tal, coletamos folha, caule e raiz em três espécies de Velloziaceae (Barbacenia macrantha, Vellozia nivea e Barbacenia flava) ao longo do ano de 2014, nos meses de abril, junho, agosto e novembro, buscando caracterizar as estações seca e chuvosa e transições entre elas. As três espécies estudadas apresentaram uma grande variação interespecífica na dinâmica de concentração de nutrientes e carboidratos não estruturais nos tecidos em função da sazonalidade climática. Além disso, todas apresentaram alta eficiência de uso de nutrientes, com níveis comparáveis a espécies nativas de locais severamente empobrecidos em nutrientes, como os Fynbos no sul da África ou a vegetação mediterrânica do oeste da Austrália. O objetivo da segunda parte desse trabalho foi entender a importância de fontes alternativas de água (e.g. neblina ou orvalho) e capacidade de absorção de água pela parte aérea em duas espécies de Velloziaceae, também com estratégias contrastantes para sobreviver a seca, Vellozia nivea e Vellozia intermedia. Para tal, realizamos um experimento em casa de vegetação onde submetemos indivíduos das duas espécies a dois tratamentos, um de seca no solo e outro de seca no solo com exposição artificial de neblina durante a noite. Neste estudo, as duas espécies diferiram nas estratégias de uso da água, sendo que a espécie sempre-verde apresentou uma estratégia conservativa no uso de água, enquanto que a espécie
manteve as folhas hidratadas por mais tempo, indicando que para essa espécie a neblina ou orvalho podem prolongar a manutenção da hidratação foliar, e, consequentemente, o tempo que esta espécie se mantém ativa durante o período de seca.
of water in vegetative tissues for prolonged periods, called resurrection plants. The greatest diversity of these species is found in dry places or in seasonal climates with a very marked dry season, such as Rupestrian Grasslands in central Brazil, which are characterized by having high precipitation seasonality, with a marked dry season, and with shallow or non-existent soil with nutritional limitation, especially in phosphorus. A prevalent family in rupestrian fields is the Velloziaceae, which present great species diversity in these places and may present resurrection and evergreen species in the same genus. Resurrection species tolerate drought, by passing the stresses of the limited availability of water with mechanisms that enable tolerance to desiccation of its vegetative tissues, while evergreen species tolerate drought, from mechanisms that allow water loss regulation and maintenance of cell turgor. Several studies have elucidated these mechanisms, however little is known about the resource use and dynamics in these contrasting strategies to survive the drought. Thus, the first objective was to understand the differences in the use dynamics of nutrients and non-structural carbohydrates in Velloziaceae species that differ in their strategy to survive drought. We made collections of leaf, stem and roots in three species of Velloziaceae (Barbacenia macrantha, Vellozia nivea and Barbacenia flava), in April, June, August and November 2014. The three species showed a large interspecific variation in the dynamics of non-structural carbohydrates and nutrients concentration in the tissues as a function of precipitation seasonality. In addition, the three species showed high nutrient use efficiency, with levels comparable to native species of severely nutrient impoverished places such as Fynbos in South Africa or the Mediterranean vegetation from Western Australia. The goal of the second part of this work was to understand the importance of alternative water sources, as fog and dew, and the capacity of foliar water uptake in two Velloziaceae species with contrasting strategies for surviving drought, Vellozia nivea and Vellozia intermedia. Thus, we conducted a greenhouse experiment where individuals of the two species were submitted to two treatments, one with dry soil and other with dry soil but with artificial overnight exposure to fog. In this study, the two species differ in water-use strategies, the evergreen species showed a conservative strategy in water use, while the resurrection species showed an opportunistic strategy drying out quickly in the drought treatment. However, in the nighttime fog exposure treatment, the resurrection species kept the leaf hydration during long periods, indicating that for this specie, fog or dew can prolong the maintenance of the leaf hydration and consequently the time that this species remains active during the drought period.
Capítulo 1 ... 15
1.0 Resumo ... 15
1.1 Introdução ... 16
1.2 Materiais e métodos ... 20
1.2.1 Espécies e local de estudo ... 20
1.2.2 Coleta de material no campo ... 21
1.2.3 Análise de concentração e eficiência de uso de nutrientes ... 22
1.2.4 Análise de carboidratos não estruturais ... 22
1.2.5 Análises estatísticas ... 23
1.3 Resultados ... 23
1.3.1 Aspectos fenológicos e caracterização das estratégias ecológicas ... 23
1.3.2 Concentração relativa dos nutrientes ... 25
1.3.3 Dinâmica de nutrientes ... 26
1.3.4 Eficiência e proficiência de remobilização. ... 28
1.3.5 Concentração relativa de carboidratos não estruturais ... 29
1.3.6 Dinâmica de carboidratos ... 30
1.4 Discussão ... 33
1.4.1 Dinâmica de nutrientes ... 33
1.4.2 Eficiência e proficiência de remobilização de nutrientes ... 35
1.4.3 Dinâmica de carboidratos ... 36 1.5 Conclusão ... 38 Capítulo 2 ... 39 2.0 Resumo ... 39 2.1 Introdução ... 40 2.2 Materiais e métodos ... 43
2.2.1 Espécies estudadas e desenho experimental ... 43
2.2.3 Medidas fisiológicas ... 45
2.2.4 Medidas físicas ... 45
2.2.5 Absorção foliar de água ... 45
2.2.6 Análises estatísticas ... 46
2.3 Resultados ... 47
2.4 Discussão ... 56
2.5 Conclusão ... 59
Introdução Geral
Autótrofos poikilohídricos variam a hidratação de seus tecidos em função da disponibilidade de água no ambiente, ou seja, o conteúdo relativo de água da planta muda passivamente em resposta a disponibilidade de água, podendo equilibrar com a umidade do ar (Kappen e Valladares 2007 apud Walter e Kreeb 1970). A poikilohidría está presente desde organismos autótrofos mais basais como cianobactérias até angiospermas. Dentre as plantas terrestres se conhece aproximadamente 350 espécies de angiospermas poikilohídricas, distribuídas em 10 Famílias, sendo elas: Myrothamnaceae, Cactaceae, Acanthaceae, Gesneriaceae, Scrophulariaceae, Lamiaceae, Cyperaceae, Boryaceae, Poaceae e Velloziaceae (Proctor e Tuba 2002).
Os autótrofos não vasculares, como cianobactérias, algas, briófitas e líquens, são poikilohídricos constitutivos pois não possuem mecanismos de controle de perda de água. Ao contrário, as plantas vasculares mantêm sua hidratação até certo limite, por meio de raízes, tecidos condutores, epiderme, cutícula e estômato, sendo considerados poikilohídricos não constitutivos, e sim de performance poikilohídrica (Gaff 1980). A performance poikilohídrica é considerada um atributo adquirido e é encontrado em espécies, gêneros e famílias não relacionadas filogeneticamente (Oliver e Mishler 2000). As principais evidencias para este fato é que, primeiramente, não existem gimnospermas com este traço, estando presente apenas em famílias mais derivadas de angiospermas e pode ser uma resposta adaptativa a climas e habitats com períodos úmidos e infrequentes (Raven 1999).
Apesar de todos os organismos poikilohídricos perderem água passivamente, nem todos toleram perdas severas de água, podendo ser stenopoikilohídricos ou euripoikilohídricos. Stenopoikilohídricos toleram pequenas faixas de perda de água, enquanto que os euripoikilohídricos toleram grandes faixas de perda de água e são capazes de retomar o metabolismo após grande período em estado de anabiose (Kappen e Valladares 2007). Além disso, podem ser divididas em homoichlorophilous e poikilochlorophilus, dependendo da manutenção ou não do aparato fotossintético durante a o período de dessecação (Sherwin e Farrant 1996). Espécies homoichlorophilous retém a clorofila durante o período dessecado e em geral são adaptadas a alterações mais rápidas e curtas na disponibilidade de água. Ao contrário, espécies poikilochlorophilus desmontam o aparato fotossintético durante a dessecação e são adaptadas a ciclos de dessecação e ressurgência mais prolongados (Sherwin e Farrant 1998). A vantagem seletiva de ser poikilochlorophilus é minimizar o dano
foto-oxidativo durante o período seco e não precisar manter o aparato fotossintético por longos períodos de dessecação (Tuba 2008).
As espécies poikilohídricas são conspícuas a regiões áridas e climas extremos, como, por exemplo em regiões de cadeia de montanhas na África, Madagascar, América do Sul tropical e oeste de Austrália (Kappen e Valladares 2007). Na América do Sul, encontramos duas regiões, uma na Venezuela e outra na região central do Brasil, a Cadeia do Espinhaço, com estruturas geológicas caracterizadas, em geral, pela sua estabilidade e composição antiga, chamadas de crátons (Benites et al. 2007). Esse tipo de estrutura é a porção das placas continentais que, durante um período mínimo de 100 milhões de anos, não sofreram ações diretas de tectonismo e de vulcanismo, mas que, no entanto, sofreram ações de mecanismos exógenos como chuvas e ventos. Dessa forma, essas rochas são muito desgastadas e por isso os solos nestas regiões são rasos ou inexistentes e muito oligotróficos. Os campos rupestres, presentes nos crátons são caraterizados pela ocorrência de afloramentos rochosos e campos arenosos (Furley e Ratter 1988), originados de rochas pobres em nutrientes como o quartzito e granitos, formados na era pré-cambriana (Alves e Kolbek 1994).
Nos Campos Rupestres uma família muito abundante, com centro de diversificação nestes locais, é Velloziaceae. Velloziaceae é uma família de angiosperma monocotiledôneas, da ordem Pandanales, constituída por cerca de 260 espécies sendo que mais de 200 se encontram na América do Sul. No Brasil existem dois gêneros nativos: Barbacenia e Vellozia (Mello-Silva 1995). A grande maioria se encontra no planalto central brasileiro, notadamente nas formações quartzíticas da Cadeia do Espinhaço. São ervas frequentemente arborescentes e robustas, com caule envolvido por bainhas foliares secas sobre raízes adventícias que possuem velame e inflorescência uniflora (Mello-Silva 1995). É uma família interessante para estudo, pois abrange espécies com estratégias ecológicas contrastante, com espécies sempre-verdes e ressurgentes no mesmo gênero.
Durante o período de seca, a disponibilidade de água no solo é um fator limitante para a sobrevivência das espécies nestes ambientes, já que em solos rasos ou inexistente não é possível se estocar água. Assim as plantas possuem diversos mecanismos que possibilitam a sobrevivência nestes locais. Algumas espécies de Velloziaceae permanecem sempre-verdes durante o período de seca, estas espécies possuem mecanismos que as possibilitam tolerar a seca, através da manutenção do turgor celular e do crescimento em potencias hídricos baixos (Delzon 2015). Já as espécies ressurgentes, que dessecam suas folhas ao longo da estação seca, possuem uma estratégia de tolerar a dessecação (Farrant et al. 2007). A estratégia de permanecer por longos períodos dessecadas, faz com que estas espécies adotem uma estratégia oportunista,
pois seu crescimento e reprodução ficam restritos a eventos de disponibilidade de água (Kappen e Valladares 2007).
Muito se sabe sobre os mecanismos que possibilitam tanto a manutenção da parte aérea nas espécies sempre-verdes quanto mecanismos moleculares que possibilitam a tolerância à dessecação em espécies ressurgentes (Farrant et al. 2007). No entanto, pouco são os estudos que comparam o uso e estoques de recursos em estratégias contrastantes e quais as implicações ecológicas destas estratégias. Dessa forma, o presente trabalho, abordou dois temas em capítulos distintos, sendo o primeiro sobre o uso e estoque de nutrientes e carboidratos não estruturais em espécies de Velloziaceae com estratégias contrastantes para sobreviver à seca e o segundo sobre a importância relativa do papel da neblina também em espécies de Velloziaceae com estratégias contrastantes.
Capítulo 1
Dinâmica de nutrientes e carboidratos não estruturais em três espécies
da família Velloziaceae
1.0 Resumo
Campos rupestres são formações vegetais caracterizadas por apresentarem alta sazonalidade de chuvas, solos rasos e oligotróficos, com baixa capacidade de acumular água. Para sobreviver nestes locais, as espécies vegetais apresentam uma ampla gama de estratégias para estocar e reutilizar nutrientes e carboidratos não estruturais (CNEs). Os nutrientes adquiridos podem ser remobilizados de tecidos de estoque ou senescentes para tecidos dreno, enquanto que CNEs, produzidos na folha, podem ser remobilizados e utilizados como fonte de carbono, o que possibilita o crescimento e rebrota após eventos de seca. Na família Velloziaceae, prevalente nos campos rupestres, encontramos tanto espécies ressurgentes (tolerantes à dessecação) quanto sempre-verdes. A estratégia sempre-verde envolve mecanismos que possibilitam a manutenção das atividades em potencias hídricos baixos enquanto que espécies ressurgentes são capazes de tolerar perdas de até 95% do conteúdo relativo de água dos tecidos, ficando completamente dessecadas e funcionalmente inativas, se reidratando quando a água se torna disponível no ambiente. O objetivo deste estudo é comparar a eficiência de uso e dinâmica, de nutrientes e carboidratos não estruturais (CNE) em três espécies de Velloziaceae com estratégias contrastantes de resistência a seca, Barbacenia macrantha (ressurgente), Vellozia nivea (estratégia intermediária) e Barbacenia flava (sempre-verde). Para tal, realizamos coletas das três espécies em intervalos trimestrais, durante o ano de 2014, no município de Santana o Riacho na Serra do Cipó. Realizamos análise fósforo, nitrogênio, manganês e CNEs nas folhas, caule e raízes das três espécies nos quatro tempos de coleta. As três espécies apresentaram estratégias contrastantes de uso e estoque de nutrientes. Todas apresentaram alta eficiência de uso de nutrientes se comparadas com espécies nativas de outras comunidades pobres em nutrientes. Especificamente, B. flava parece apresentar maior eficiência de aquisição e de uso de nutrientes, com a possível liberação de exsudatos radiculares e maior eficiência de remobilização de fósforo (95%). Com relação a carboidratos não estruturais, as espécies também apresentaram respostas diferentes. Barbacenia macrantha, foi mais dependente da concentração de amido para sobrevivência durante a seca, enquanto que Barbacenia flava teve maior dependência de açúcares solúveis e Vellozia nivea apresentou respostas intermediárias às duas espécies, sem variações significativas na concentração destes
carboidratos. Desta forma, as espécies apresentaram estratégias diversas de uso e estoque destes recursos para sobrevivência nos campos rupestres, e não apenas duas respostas bem definidas para sempre-verdes e ressurgentes.
1.1 Introdução
Campos rupestres são tipos vegetacionais que ocorrem em topos de montanhas e platôs no domínio do cerrado. Além de estarem localizados em climas sazonais com uma estação seca bem marcante, os campos rupestres são caracterizados por apresentarem solos antigos, sendo o quartzito o principal material de origem (Oliveira e Marquis 2002). Fatores exógenos, como a precipitação e vento, agindo por um longo período de tempo, contribuíram com o desgaste da rocha e com a formação de solos rasos ou inexistentes. Estes solos são compostos majoritariamente por areia e por isso têm baixa capacidade de armazenar água, são susceptíveis a erosão e também são oligotróficos (Benites et al. 2007). Fósforo em especial, um macronutriente que difundi lentamente no solo e é rapidamente adsorvido em partículas de alumínio e ferro presentes no solo (Comerford 1979), está geralmente em concentrações limitantes para absorção pelas plantas nestes ambientes (Lambers et al. 2008). Apesar de tais limitações, estes locais são “hotspots” de biodiversidade, com alto índice de endemismo de espécies (Silveira et al. 2015).
Devido à alta sazonalidade deste ambiente, a aquisição de recursos (e.g. água e nutrientes) pode ser ainda mais limitante durante a época seca, quando os níveis de precipitação e de umidade do ar são muito baixos para a manutenção do funcionamento foliar. Dessa forma, é importante que espécies possuam estratégias de estoque de recursos, como nutrientes e carboidratos não estruturais (CNE), para garantir sua sobrevivência durante o período de menor disponibilidade de água. O estoque é composto de recursos que acumulam nos órgãos das plantas (folhas, caule e raiz) e que mais tarde podem ser mobilizados para o crescimento ou outras funções (Chapin 1990). Os recursos adquiridos podem acumular como estoque nos tecidos das plantas de forma passiva, que acontece quando a aquisição excede a demanda e que por isso não compete diretamente com o crescimento (Chapin 1990), ou ainda podem acumular de forma ativa, competindo diretamente com o crescimento, quando está relacionada à manutenção da sobrevivência a longo prazo (Chapin et al. 1990; Sala et al. 2012). Ainda, os recursos presente em tecidos senescentes podem ser remobilizados, que acontece quando recursos são quebrados e realocados para tecidos dreno, onde também podem ser utilizados diretamente para crescimento (Chapin et al. 1990).
Espécies nativas de ambientes pobres em recursos e sazonalmente secos possuem diversos mecanismos adaptativos que possibilitam a sobrevivência (Lambers et al. 2008). Estes mecanismos aumentam tanto a eficiência de aquisição, quanto de uso de nutrientes e água. Com relação a aquisição de nutrientes, especializações radiculares, como raízes agrupadas (Cluster roots) (Purnell 1960) ou raízes dauciformes (Shane et al. 2006), são importantes em solos pobres em nutrientes, pois conseguem liberar exsudatos radiculares em taxas rápidas, de forma que a concentração na rizosfera seja alta o suficiente para tornar disponíveis nutrientes antes indisponíveis para a absorção pelas raízes (Shane e Lambers 2005). Portanto, o estudo da concentração de manganês (Mn) nas folhas pode ser um indicativo da liberação de exsudatos por especializações radiculares em espécies nativas de ambientes empobrecidos em fósforo (Lambers et al. 2015). Os exsudatos liberados por especializações radiculares não só liberam P antes indisponível para absorção pelas raízes como também aumentam a solubilidade de Mn no solo, o que reflete na concentração de Mn nas folhas dos indivíduos (Lambers et al. 2015).
Já a eficiência de uso de nutrientes é composta por uma série de atributos que estão relacionados ao máximo aproveitamento dos nutrientes adquiridos para o crescimento e desenvolvimento das plantas. Por exemplo, (1) alta taxa fotossintética por unidade de nutrientes presentes nas folhas, principalmente P e N; (2) longa permanência do nutriente nos tecidos da planta, através de alta longevidade foliar e (3) alta proporção de nutrientes remobilizados de órgãos senescentes (Lambers et al. 2001). A remobilização aliada ao estudo da dinâmica da concentração de nutrientes nos tecidos e da estequiometria foliar (razão N:P) são componentes chave para entender estratégias de conservação e de uso de nutrientes em diferentes espécies. A remobilização de nutrientes pode ser descrita pela eficiência e proficiência, que são dois atributos que medem a capacidade de cada espécie de reduzir a concentração de nutrientes em suas folhas senescentes tanto em porcentagem (eficiência) quanto em valores absolutos (proficiência) (Killingbeck 1996). As concentrações de P e N nos tecidos vivos e folhas senescentes refletem a natureza da limitação e podem indicar a estratégia utilizada por cada espécie para lidar com a baixa disponibilidade de nutrientes. N e P são particularmente importantes para este estudo pois são os dois macronutrientes mais limitantes na produtividade de plantas terrestres (Elser et al. 2007). Assim, apresentar alta eficiência e/ou proficiência de remobilização de nutrientes é um importante atributo para espécies que ocorrem em ambientes pobres em recursos, uma vez que os nutrientes remobilizados estão prontamente disponíveis para o crescimento das plantas, o que reduz a dependência de aquisição destes no solo (Aerts e Chapin 2000).
Outro fator importante relacionado à sobrevivência das espécies em locais sazonalmente secos é a alocação de parte dos fotossintatos para a produção de CNE. Durante o período de escassez de água, os CNE podem ser remobilizados e utilizados como fonte de carbono (C) para plantas durante condições de seca, o que possibilita a manutenção do crescimento ou posterior rebrota (O’Grady et al. 2013). Carboidratos não estruturais podem ser solúveis, como glicose, frutose e sacarose, ou ainda de insolúveis, como o amido e o frutano. Os CNE solúveis estão geralmente ligados a funções como manutenção do turgor celular, osmorregulação e reparação de embolismos (O’Brien et al. 2014), enquanto os insolúveis podem ser estocados, contribuir para a manutenção do metabolismo basal e otimizar o crescimento a longo prazo e a sobrevivência (O’Brien et al. 2014).
Após um curto período de seca, os indivíduos tendem a alocar grande parte do C fixado, não mais para crescimento, e sim para estoque de CNE, já que a fotossíntese é menos sensível à seca que o crescimento (McDowell 2011). Dessa forma, a curto prazo a concentração de CNE tende a aumentar nos tecidos, enquanto que a longo prazo tende a cair lentamente, podendo, até mesmo ser esgotada. Como consequência, o indivíduo pode morrer por falta de C ou pode reestabelecer potenciais mínimos para retomar as taxas fotossintéticas, após eventos de chuva (Norwood et al. 2000).
Nos campos rupestres encontramos espécies com diversas estratégias para lidar tanto com a seca quanto com a limitada disponibilidade de nutrientes. Uma importante família que ocorre nos campos rupestres e que apresenta espécies com diferentes estratégias para resistir à seca é Velloziaceae (Mello-Silva 1995). Nesta família encontramos tanto espécies sempre-verdes, quanto espécies que são tolerantes à dessecação (i.e. espécies ressurgentes) (Alcantara et al. 2015). As espécies sempre-verdes mantêm a maioria de suas folhas verdes ao longo da seca, senescendo folhas antigas e mantendo a produção de novas folhas. Em contraste, espécies ressurgentes dessecam todas as suas folhas sem senescerem, de modo que na próxima estação chuvosa estas mesmas folhas retomam seu metabolismo, funcionando de forma semelhante a espécies decíduas, que ficam fotossinteticamente inativas no período de seca (Gaff e Oliver 2013). O gasto energético para manter os tecidos em estado de anabiose durante o período seco nestas espécies é uma demanda conflitante, já que compete com o crescimento para a alocação de recursos, tornando estas espécies menos competitivas em locais com maior disponibilidade de água (Gaff eOliver 2013).
Espécies sempre-verdes e ressurgentes têm, portanto, mecanismos diferentes para resistir ao período seco. Espécies sempre-verdes apresentam adaptações para evitar a perda de água, como por exemplo, poucos e pequenos estômatos restritos a criptas estomáticas, rápido
fechamento estomático durante a seca, folhas com epiderme bastante cerosa e desenvolvimento de mesofilo paliçádico; e também no caule, como uma alta resistência do fluxo de água em tecidos vasculares (Kozlowski e Pallardy 2002). Além disso, estas espécies podem ter um controle osmótico, como sugerido por O’Brien et al. (2014), acumulando solutos nas folhas durante o período de seca, que permite a manutenção do gradiente de potencial hídrico entre as raízes a as folhas, fundamental para contínuo transporte de água. Por outro lado, as espécies ressurgentes não possuem forte controle da perda de água, mas toleram perdas severas de água nas folhas, como 80% a 95% do seu conteúdo relativo de água e com apenas 10 mm de chuva são capazes de se reidratar completamente (Gaff e Oliver 2013) e restabelecer os mesmos níveis de taxa fotossintética apresentados antes da dessecação. Durante o período de dessecação extrema, as espécies ressurgentes precisam superar três principais categorias de estresses: (1) mecânicos, associados com perda de turgor; (2) perda da integridade da membrana; (3) estresse oxidativo, relacionado à interrupção do metabolismo (Farrant et al. 2007).
Um dos mecanismos associados à perda de turgor é o aumento da vacuolização com a substituição de água por substâncias não aquosas (acúmulo de osmólitos, como açúcares e prolina), como observado em Xerophyta (Velloziaceae) (Farrant 2000). Outro mecanismo, desta vez associado à perda da integridade da membrana, é o acúmulo de solutos como a trealose e sacarose. No início da seca, os açúcares são preferencialmente excluídos de proteínas e de membranas, este processo permite que as macromoléculas sejam revestidas por uma camada de água que proporciona hidratação e mantêm a conformação original. Quando a seca se torna mais severa, ocorre a perda desta camada de água e os açúcares desempenham um papel de substituição da água, se ligando à proteínas e lipídeos da membrana via interação com os átomos de hidrogênio (Vicré et al. 2004).
Dadas as principais diferenças que separam estas duas estratégias, o principal objetivo desse estudo é entender a dinâmica de uso e estoque de nutrientes e CNE em folhas, caule e raiz de espécies de Velloziaceae com estratégias de sobrevivência à seca contrastantes (sempre-verde vs. ressurgente) em resposta às mudanças na disponibilidade de água no ambiente. Mais especificamente: (1) Qual a eficiência e proficiência de remobilização, dinâmica da concentração e estequiometria de nutrientes em três espécies de Velloziaceae que diferem em suas estratégias de sobrevivência à seca? (2) Como ocorre a dinâmica de carboidratos em função da variação na disponibilidade hídrica nestas mesmas três espécies? Testaremos a hipótese de que a dinâmica do uso de nutrientes e CNE seja diferente entre as estratégias. Esperamos que espécies ressurgentes remobilizem os nutrientes foliares para tecidos mais perenes, como o caule, no período de seca, enquanto que espécies sempre-verdes
remobilizem os nutrientes das folhas senescentes para a produção de folhas novas, mesmo na estação seca. Como as espécies ressurgentes possuem uma janela de oportunidade pequena para recuperar níveis fotossintéticos altos, esperamos que elas tenham maior remobilização, para que sejam menos dependentes de aquisição de nutrientes do solo. Em espécies sempre-verdes, esperamos uma menor remobilização, já que esta espécie consegue se manter fotossinteticamente ativa durantes os períodos secos. Para a dinâmica de carboidratos, esperamos, para espécies ressurgentes, queda na concentração de amido durante a estação seca, devido a hidrolise para aumento da concentração de açúcares solúveis que contribuem para processos de osmorregulação e manutenção da integridade celular. Para espécies sempre-verdes, esperamos que a concentração de amido também diminua, sendo hidrolisados e utilizados para na manutenção do metabolismo ao longo da seca, pelo contrário, a concentração de açucares solúveis aumentaria para acúmulo de osmolitos ativos nas folhas.
1.2 Materiais e métodos
1.2.1 Espécies e local de estudo
O estudo foi conduzido em uma área de campo rupestre na Serra do Cipó, localizada no município de Santana do Riacho, estado de Minas Gerais, Brasil. A vegetação é dominada por pequenos arbustos, ervas e gramíneas crescendo em substrato rochoso, na qual a rocha predominante é o Quartizito (Figura 1). O clima nesta área é sazonal com uma estação seca bem definida entre maio e setembro (Eiten 1972), sendo que a média anual de precipitação acumulada é de 1.622 mm e a temperatura média de 21.2 °C (Madeira e Fernandes 1999). O ano em que foram realizadas as coletas, 2014, foi atípico, pois a precipitação anual total foi menor do que a média dos anos anteriores, 792 mm (Figura 2). Os meses em que realizamos as coletas (abril, junho, agosto e novembro apresentaram variação na precipitação e déficit de pressão de vapor da atmosfera (DPV) (Figura 2). Agosto correspondeu ao mês mais seco, apresentando 4,2 mm de precipitação e alto DPV e novembro foi o mês mais úmido, com elevada precipitação (241 mm) e DPV um pouco mais baixo.
Figura 1. Visão geral de uma área de campo rupestre onde o estudo foi realizado. Ao fundo, presença de afloramentos rochosos e mais à frente, campos arenosos situados em manchas de solos entre afloramentos rochosos. A área fica no município de Santana do Riacho dentro da reserva Vellozia.
Figura 2. Média de precipitação (barras) e déficit de pressão vapor na atmosfera (linha pontilhada) de janeiro a dezembro de 2014. Dados coletados na estação meteorológica localizada na reserva Vellozia (Serra do Cipó), nas coordenadas 43°33'W e 19°20'S a 43°39'W e 19°12'S.
1.2.2 Coleta de material no campo
As espécies estudadas foram Barbacenia macrantha Lem., Barbacenia flava Mart ex Schult e Vellozia nivea L.B. Smith & Ayensu, três espécies da família Velloziaceae, prevalente nos campos rupestres. Coletamos cinco indivíduos de cada espécie em quatro períodos durante o ano de 2014. A primeira coleta foi realizada no começo de abril (final da estação chuvosa), a segunda e a terceira foram realizada durante a estação seca (junho e agosto), e a quarta no início da estação chuvosa, em novembro. Como as coletas foram destrutivas, as medidas de cada mês foram realizadas em indivíduos diferentes. Removemos o indivíduo inteiro do solo e analisamos separadamente folhas verdes, folhas secas, caule e raízes.
Utilizamos metade do material coletado para análise de concentração de nutrientes e a outra metade para análise da concentração de CNE. No mês de abril realizamos a primeira coleta e também marcamos os indivíduos que seriam coletados nos meses seguintes. Nesses indivíduos marcamos as folhas que estavam verdes, para acompanhar a senescência.
1.2.3 Análise de concentração e eficiência de uso de nutrientes
Para análise química de nutrientes, as amostras foram secas em estufa a 60 °C durante 48 h, logo após a coleta, e posteriormente foram moídas em moinho de bolas (Geno grinder, Spex sample prep. 2010). As amostras foram enviadas para análise na Universidade Federal de Viçosa (UFV) para determinação da concentração de N, P e Mn. Para análise de P e Mn, as amostras de material vegetal foram submetidas a um processo de digestão em ácido nitro-perclórico e determinação por colorimetria com subcarbonato de bismuto para fósforo e emissão de luz em espectrômetro de absorção atômica para Mn. Para N, o tecido foi digerido em ácido sulfúrico e a concentração determinada pela destilação com indicador de ácido bórico (informações concedidas pelo laboratório da UFV).
A eficiência de remobilização de nutrientes (r) foi calculada como a redução percentual na concentração de nutrientes das folhas verdes para folhas senescidas, utilizando a seguinte fórmula: r =((Cm-Cs)/Cm)*100, onde Cm é a concentração dos nutrientes nas folhas verdes e Cs é a concentração nas folhas senescidas (Aerts e Chapin 2000). A proficiência de remobilização corresponde a concentração absoluta dos nutrientes nas folhas senescentes (Killingbeck 1996).
1.2.4 Análise de carboidratos não estruturais
Para análise de CNE, no momento da coleta as amostras foram mantidas no gelo até que fossem ao micro-ondas por 90 segundos em potência máxima, para parar a atividade enzimática no tecido. Logo após, as amostras foram secas em estufa a 60°C durante 48h, moídas em moinho de bolas e mantidas na geladeira até a análise. As análises de CNE foram feitas em nosso laboratório, seguindo o protocolo de digestão enzimática proposto por Sevanto et al. (2014), no qual são quantificados os açúcares livres (não estruturais), açúcares solúveis totais (glicose, sacarose e frutose) e amido.
Separamos 15mg de material vegetal com 1,6ml de água destilada. Utilizamos amiloglicosidase de Aspergillus niger (Sigma-Aldrich) para a digestão de CNE à glicose; invertase, kit de glicose hexokinase (GHK) e fosfoglicose isomerase (Sigam-Aldrich) para quantificar os açúcares de baixo peso molecular. A concentração de açúcares foi determinada
por espectrofotômetro em microplacas de espectrofotômetro de 96 poços (BioTek, Epoch). O amido foi calculado como a diferença entre os carboidratos não estruturais totais e os açúcares de baixo peso molecular (veja detalhes em Sevanto et al. 2014). Todos os valores de CNE são expressos em porcentagem de massa seca.
1.2.5 Análises estatísticas
Utilizamos ANOVA de um fator para comparar a concentração de nutrientes e carboidratos não estruturais por tecido entre as espécies. Para isso, consideramos todos os meses conjuntamente. Também utilizamos ANOVA para comparar diferenças entre as razões de N:P ao longo dos meses de coleta em uma mesma espécie. Utilizamos o teste post-hoc de Tukey para avaliar a diferença entre pares de espécies. Diferenças foram consideradas significativas quando p<0,05.
Para avaliar a concentração de nutrientes e carboidratos nos tecidos entre os meses de coleta, utilizamos modelo misto em que consideramos os indivíduos como efeito aleatório e a interação dos tecidos (folha, caule e raiz) com os meses (abril, junho, agosto e novembro) como efeito fixo. Utilizamos intervalos de confiança de 95% estimados pelo modelo de médias dos quadrados mínimos para avaliar diferenças de concentração entre os meses e tecidos. Todas as análises foram feitas no programa R (R Core Team 2012).
1.3 Resultados
1.3.1 Aspectos fenológicos e caracterização das estratégias ecológicas
No início das coletas (abril), transição entre a estação chuvosa e seca (43 mm de precipitação), as três espécies apresentavam folhas completamente verdes e expandidas (Figura 3 A;B;C). No entanto, com o início da seca (junho), as três espécies apresentaram diferentes respostas à diminuição na disponibilidade hídrica. Para Barbacenia macrantha observamos mudanças tanto na morfologia quanto na coloração das folhas logo no início da estação seca. Nesta espécie, parte de suas folhas estavam completamente dessecadas, apresentando as folhas enroladas sobre si mesmas e outra parte ainda não estava dessecada, no entanto apresentavam uma coloração arroxeada (Figura 3 D). Para Vellozia nivea, observamos mudança apenas na coloração das folhas de alguns indivíduos da população (Figura 3 E), na qual as folhas apresentavam coloração arroxeada. Por fim, para Barbacenia flava, todos os indivíduos permaneceram com as folhas verdes e expandidas no mês de junho (Figura 3 F).
No período entre o final de julho e início de agosto a precipitação foi um pouco maior (48 mm) do que no início da estação seca (maio – 18 mm). Dessa forma, B. macrantha
ainda apresentava parte das folhas expandidas (hidratadas), mas a maior parte estava dessecada ou com coloração arroxeada (Figura 3 G), semelhante a junho. Todos os indivíduos desta espécie estavam férteis (com flor) na coleta de agosto. Os indivíduos de Vellozia nivea (Figura 3 H) estavam com as folhas ainda arroxeadas e os de Barbacenia flava (Figura 3 I) estavam com as folhas verdes e expandidas no mês de agosto. Na coleta realizada na estação chuvosa (novembro) todas as espécies estavam com as folhas totalmente expandidas e hidratas (Figura 3 J;K;L).
Figura 3. Aspectos fenológicos das três espécies estudadas (Barbacenia macrantha, Vellozia nivea e Barbacenia flava) ao longo dos meses de coleta. Barbacenia macrantha teve maior mudança na área foliar ao longo da estação seca, enquanto que Vellozia nivea e Barbacenia flava tiveram menor redução na área foliar.
1.3.2 Concentração relativa dos nutrientes
A concentração de N, P e Mn (considerando todos os meses juntos) nos tecidos diferiu entre as espécies estudadas. A concentração de N e P nas folhas, caule e raízes de B. macrantha foi maior do que nas demais espécies. No entanto, a concentração de Mn, foi muito maior nas folhas de B. flava (Figura 4).
Figura 4. Concentração de fósforo (A) e nitrogênio (B) e manganês (C) nas folhas (barra verde), no caule (barra amarela) e nas raízes (barra marrom), nas três espécies considerando todos os meses de coleta. Letras maiúsculas e minúsculas indicam diferenças estatísticas. As barras representam a média e as linhas o erro padrão, n=20.
A razão N:P foliar aumentou a partir de junho (seca) para B. flava e V. nivea, e se manteve constante ao longo de todo o período de coleta em B. macrantha. A média de N:P nas folhas da B. flava variou de 17 ± 8 em abril (transição estação chuvosa para a seca) para 31 ± 13 em novembro (estação chuvosa), enquanto que V. nivea passou de 16 ± 7 para 23 ± 10 no mesmo período (Figura 5).
Figura 5. Proporção nitrogênio/fósforo nas folhas das três espécies estudadas (B. macrantha (linha solida), V. nivea (linha pontilhada) e B. flava (linha tracejada)), durante os quatro meses de coleta. Os pontos representam a mediana, as barras representam o erro padrão e letras minúsculas representam diferenças ao longo dos meses para a mesma espécie.
1.3.3 Dinâmica de nutrientes
A dinâmica de nutrientes foi diferente entre as três espécies. Em B. macrantha a concentração de P diminuiu apenas em agosto no caule e em novembro (estação chuvosa) na folha (Figura 6 D), enquanto as outras duas espécies apresentaram diferenças logo no início da estação seca (junho) (Figura 6 E F). Para Vellozia nivea, a concentração de P decresceu no caule e nas folhas durante a estação seca e aumentou nesses tecidos na estação chuvosa. Já em B. flava, a concentração de P diminuiu constantemente nas folhas a partir da estação seca até novembro. No caule houve uma queda na concentração de P apenas no início da seca (junho).
Para N, em B. macrantha, a concentração nas folhas, caules e raízes não se alterou ao longo dos meses (Figura 6 A). Já em V. nivea a concentração diminuiu apenas em agosto, enquanto que no caule se manteve constante na estação seca e aumentou em novembro (Figura 6 B). Por fim, em B. flava a concentração de nitrogênio se alterou apenas no caule, apresentando uma diminuição no início da seca (junho) (Figura 6 C).
A concentração de Mn nas folhas se alterou em todas as espécies, mantendo-se constante nos demais órgãos. Nas folhas, em B. macrantha e V. nivea a concentração diminuiu durante a estação seca (junho e agosto) e em novembro voltou aos mesmos níveis de abril (Figura 6 G H). No entanto, em B. flava a concentração caiu continuamente de abril a novembro (Figura 6 I).
Figura 6. Concentração de nitrogênio (N), fósforo (P) e manganês (Mn) ao longo dos meses de abril, junho, agosto e novembro para as espécies Barbacenia macrantha (A; D; G), Vellozia nivea (B; E; H) e Barbacenia flava (C; F; I). A linha verde representa a média da concentração nas folhas, a linha laranja nos caules e a marrom nas raízes. As barras representam o erro padrão e letras minúsculas representam diferenças ao longo dos meses em um mesmo tecido. Na ausência de letras minúsculas não houve diferença entre os meses.
1.3.4 Eficiência e proficiência de remobilização.
A eficiência de remobilização de N foi semelhante nas três espécies. B. macrantha apresentou média igual a 68,25% ± 34,12%, V. nivea igual a 63,8% ± 28,5% e B. flava 66% ± 29,5% (Figura 7) (gl=2, F=2,76, p=0,10). B. flava apresentou maior eficiência de remobilização em P (95% ± 42,4%) à B. macrantha (88,5% ± 44,25%) e apenas marginalmente maior do que a espécie V. nivea (90,8% ± 40,6%) (Figura 7) (gl=2, F=5,39, p=0,02). Os valores máximos de eficiência de remobilização de P foram maiores do que para eficiência de nitrogênio, sendo 95% e 76% respectivamente.
A proficiência de remobilização de nitrogênio foi muito semelhante entre as três espécies, B. macrantha teve média de 4,5 ± 2,2mg g-1, V. nivea de 3,5 ± 1,0mg g-1 e B. flava de 4,4 ± 1,4mg g-1 (gl=2, F=5,54, p=0,18). A proficiência de reabsorção de fósforo em B flava (0,027 ± 0,08 mg g-1) foi maior do que em B. macrantha (0,094 ± 0,047 mg g-1) e marginalmente maior do que V. nivea (0,043 ± 0,012 mg g-1) (gl=2, F=38,04, p<0,05)
Figura 7. Eficiência de remobilização de nitrogênio (A) e fósforo (B) nas três espécies estudadas (B. macrantha, V. nivea e B. flava). As linhas representam a mediana, as caixas representam os quartis e as barras os valores máximos e mínimos.
1.3.5 Concentração relativa de carboidratos não estruturais
As concentrações de amido na folha (considerando todos os meses juntos) foram semelhantes em B. macrantha e V. nivea. No caule, apenas a V. nivea apresentou concentração maior que as demais espécies (gl=2 F=6,22, p<0,05). Já na raiz, as concentrações foram muito semelhantes entre as espécies (gl=2, F=3,78, p=0,03). A concentração de açúcares solúveis nas folhas foi maior para B. macrantha e B. flava. As três espécies apresentaram concentrações semelhantes de açúcares solúveis no caule (gl=2, F=0,53, p=0,59). Já na raiz, B. macrantha apresentou maior concentração em comparação com V. nivea e B. flava (gl=2, F=37,76, p<0,05). Por fim, a concentração de açúcares totais nas folhas foi novamente maior em B. macrantha do que nas demais espécies (gl=2, F=6,82, p<0,05). Na raiz, a concentração foi novamente maior em B. macrantha (gl=2, F=24,46, p<0,05) (Figura 8).
Figura 8. Concentração de açúcares solúveis (A) e amido (B) e açúcares totais (C) nas folhas (barra verde), no caule (barra amarela) e nas raízes (barra marrom), nas três espécies considerando todos os meses de coleta. Letras maiúsculas e minúsculas indicam diferenças estatísticas. As barras representam a média e a linhas o erro padrão, n=20.
1.3.6 Dinâmica de carboidratos
A dinâmica de carboidratos também foi diferente entre as espécies. B. macrantha foi a que apresentou maior variação na concentração de CNE durante os meses de seca, enquanto que B. flava e V. nivea apresentaram variações mais discretas. B. macrantha apresentou um aumento da concentração de amido nas folhas no auge da estação seca (Agosto) (Figura 9 A), enquanto que V. nivea manteve constante a concentração durante todo o período e B. flava apresentou um moderado declínio na concentração deste carboidrato logo no início
da seca até novembro (Figura 9 B C). Nos caules e raízes a concentração do amido se manteve constante em todas as espécies. Para açúcares solúveis, a concentração variou nas folhas e caule de B. macrantha, sendo a concentração maior no início da seca (junho) e na estação chuvosa (novembro) (Figura 9 D). Em V. nivea, a concentração se alterou apenas nas folhas, crescendo de abril até agosto (Figura 9 E). B. flava não apresentou variações em açúcares solúveis em nenhum tecido (Figura 9 F).
Por fim, para açúcares totais, B. macrantha teve variações apenas nas folhas, apresentando um aumento da concentração em junho e agosto (Fig. 9 G). V. nivea não apresentou variações na concentração em nenhum tecido (Fig. 9 H). B. flava apresentou aumento na concentração no final da seca e início da estação chuvosa tanto nas folhas quanto no caule (Fig. 9 I)
Figura 9. Concentração de amido, açúcares solúveis e açúcares totais ao longo dos meses de abril, junho, agosto e novembro para as espécies Barbacenia macrantha (A; D; G), Vellozia nivea (B; E; H) e Barbacenia flava (C; F; I). A linha verde representa a média da concentração nas folhas, a linha laranja nos caules e a marrom nas raízes. As barras representam o erro padrão e letras minúsculas representam diferenças ao longo dos meses em um mesmo tecido. Na ausência de letras minúsculas não houve diferença entre os meses.
1.4
Discussão
As três espécies apresentam variação em relação à dessecação, B. macrantha foi a única espécie que dessecou sua parte aérea durante a estação seca, V. nivea que apesar de manter as folhas expandidas, alterou a coloração de suas folhas e finalmente B. flava que permaneceu sempre-verde durante toda a estação seca. Baseado nas alterações morfológicas e na pigmentação das folhas, classificamos as três espécies em diferentes níveis de dessecação, na qual em um extremo se B. macrantha, uma espécie tolerante à dessecação e em outro tem-se B. flava, que apretem-sentou-tem-se tem-sempre-verde durante todo o estudo. A população estudada de V. nivea não dessecou completamente, por isso, foi considerada como uma estratégia intermediária entre a completa dessecação e manutenção das folhas hidratadas (sempre-verdes). No entanto, em estudo recente, outra população desta mesma espécie foi considerada como tolerante à dessecação (Alcantara et al. 2015). Atribuímos este fato ao habitat ocupado por cada população, sendo que os indivíduos da população do presente estudo ocupam manchas de solo entre os afloramentos rochosos, enquanto que os do estudo de Alcântara estão presentes sobre rocha.
Portanto, os diferentes graus de dessecação observados entre as espécies pode ser reflexo da segregação de habitat entre elas (Alcantara et al. 2015). B. macrantha foi encontrada sempre sobre rochas enquanto que, V. nivea e B. flava, ocupavam manchas de solo arenoso entre os afloramentos rochosos. Esta segregação de habitat tem grande importância, pois determina tanto a rapidez com que a água no solo se esgota quanto a quantidade de nutrientes disponíveis no substrato, influenciando tanto a dinâmica de nutrientes quanto de carboidratos dessas espécies.
1.4.1 Dinâmica de nutrientes
A dinâmica de nutrientes variou entre as espécies estudadas, B. macrantha, permaneceu dessecada durante a estação seca, apresentou concentração de nutrientes constante no período seco, enquanto B. flava e V. nivea, que não dessecaram suas folhas, apresentaram uma queda na concentração de nutrientes na estação seca e mantiveram-se funcionalmente ativas. A queda na concentração de nutrientes nos tecidos da planta é observada quando a falta de água é mais limitante para a aquisição de nutrientes do que para a manutenção do crescimento. Durante o período de seca, o ar substitui a água nos poros do solo, reduzindo a taxa de difusão dos íons. Dessa forma, durante o período de seca, a aquisição de nutrientes diminui. Quando isso acontece, a maioria das plantas segue a seguinte sequência de eventos: (1) queda nas reservas dos vacúolos, sem prejudicar o crescimento; (2) redução da concentração de nutrientes nos tecidos, especialmente em folhas e ramos antigos; (3) redução nas taxas
fotossintéticas e consequente redução no crescimento (Chapin 1980). No início da estação chuvosa (novembro), quando os indivíduos estavam completamente hidratados, a concentração de nutrientes (P e N) caiu. Isso aconteceu, pois provavelmente, o crescimento se restabeleceu em taxas mais rápidas do que a aquisição de nutrientes, acarretando a formação dos tecidos com menor concentração de nutrientes.
O P é um macronutriente muito limitante para o crescimento das espécies vegetais nos campos rupestres (Oliveira et al. 2015) e tornou-se ainda mais limitante no solo durante a estação seca, principalmente para as espécies que não dessecaram as folhas. Esta maior limitação é decorrente da diminuição da capacidade de difusão deste íon no solo durante a seca. O coeficiente de difusão do Fosfato (PO43) no solo é até três ordens de magnitude menor do que o Nitrato (NO-3) (Lambers et al. 2001), podendo ser ainda menor na seca. Um parâmetro utilizado para determinar a limitação de N e P é a razão da concentração N/P nas folhas. Em uma perspectiva global, é estipulado que se a proporção N/P é maior ou igual a 16, o P é mais limitante que o N para o crescimento das espécies vegetais da comunidade (Koerselman e Meuleman 1996). B. flava e V. nivea apresentaram valores de N/P sempre acima de 16, enquanto que B. macrantha apresentou valores próximos de 16. Ainda assim, todas as espécies se encontram dentro da média apresentada por espécies que compõe comunidades muito empobrecidas em P, como o sudoeste da Austrália e na região florística do Cabo, África do Sul (Lambers et al. 2010). As espécies que continuaram ativas ao longo da seca e, por isso, dependentes da aquisição de nutrientes (B. flava e V. nivea), tiveram uma alta limitação por P no final da estação seca e início da chuvosa, evidenciado pelo aumento na proporção N/P (Figura 5).
Outro fato interessante observado foi a alta concentração de Mn nas folhas de B. flava (sempre-verde). A elevada concentração provavelmente está relacionada com a alta liberação de exsudatos por especializações radiculares, que além de contribuírem para aumentar a disponibilidade de P, também aumentam a solubilidade de Mn no solo, como já observado em campos rupestres, principalmente em espécies sem associação micorrízica (Oliveira et al. 2015). Já a espécie ressurgente, B. macrantha, apresentou concentrações de P nas folhas maiores do que as outras duas espécies. Esse fato pode estar relacionado com seu estabelecimento diretamente sobre as rochas, onde ela pode adquirir nutrientes diretamente destas (onde a concentração de nutrientes é maior do que no solo), através de atividades da raiz, como liberação de exsudatos por especializações radiculares ou pela associação com fungos micorrizicos, que promovem a intemperização da rocha (Van Breemen et al. 2000).
1.4.2 Eficiência e proficiência de remobilização de nutrientes
Como mencionado anteriormente, os campos rupestres estão situados sobre solos severamente empobrecidos e assim, as espécies presentes nestes locais apresentam mecanismos para o uso eficiente de nutrientes limitantes. Um atributo importante no estudo da eficiência de uso de nutrientes é a remobilização de nutrientes foliares (Killingbeck 1996). A remobilização consiste no transporte por fluxo de massa, através de diferenças de pressão hidrostática, criada pelo carregamento do floema nos tecidos fonte e descarregamento nos tecidos dreno, que resulta na diminuição da quantidade de nutrientes em tecidos senescentes (Killingbeck 1986). A eficiência de remobilização varia de acordo com diversos parâmetros, como a disponibilidade de nutrientes no solo do local onde a espécie é nativa (Hayes et al. 2014), a forma de crescimento (espécies decíduas e espécies sempre-verdes) e depende do nutriente considerado (Hayes et al. 2014). O nitrogênio participa de muitos compostos estruturais das folhas, como proteínas da parede celular, que não são degradados durante o processo de senescência das folhas e que, por isso, não podem ser remobilizados. Enquanto que o fósforo está presente majoritariamente em compostos metabólicos, que podem ser degradados durante o processo de senescência e remobilizados para tecidos dreno (Hayes et al. 2014). Dessa forma, valores máximos de eficiência de remobilização de fósforo são maiores do que para o nitrogênio, o que foi corroborado nesse estudo.
As espécies estudadas não diferiram quanto a eficiência de remobilização de nitrogênio e todas apresentaram níveis bastante altos de remobilização de fósforo, no entanto, as duas espécies que mantiveram funcionalmente ativas na seca apresentaram maior eficiência de remobilização de P. A alta eficiência observada na remobilização de P nas três espécies é esperada devido aos solos severamente empobrecidos em P onde as espécies ocorrem (Oliveira et al. 2015). Com a maior eficiência de remobilização, cada indivíduo fica menos dependente da aquisição deste nutriente limitante no solo (Killingbeck 1996). As duas espécies que apresentaram maior eficiência de remobilização (B. flava e V. nivea), senesceram folhas concomitantemente com a produção de novas folhas, apresentando assim, drenos durante a senescência de folhas, que podem contribuir para a maior remobilização (Pugnaire e Chapin 1992). Ao contrário, B. macrantha, estava dessecada durante a estação seca e, portanto, funcionalmente inativa. Por isso, essa espécie não produziu novas folhas nesse período, e não possuía drenos durante a senescência das folhas.
A eficiência de remobilização de N e de P das três espécies de Velloziaceae foi bastante alta comparada com espécies de cerrado sensu estrito. A eficiência de remobilização de N em 10 espécies mais abundantes de cerrado sensu estrito na reserva do IBGE em Brasília
variou entre 22% e 37% para Styrax ferrugineus e Cariocar brasiliensis respectivamente (Nardoto et al. 2006), enquanto que as três espécies de Velloziaceae apresentaram valores sempre acima de 45% com máximo de 76%. No mesmo estudo de Nardoto em 2006, a eficiência de remobilização de P variou entre 39% em Styrax ferrugineus e 70% em Dalbergia miscolobium, enquanto que as três espécies de Velloziaceae variaram de 85% em B. macrantha e o máximo de 95% em B. flava.
Dentre as espécies estudadas, B. macrantha apresentou menor proficiência de remobilização, isso pode estar ligado ao fato, citado acima, de que esta espécie ocorre diretamente sobre rochas e assim poderia adquirir nutrientes diretamente delas, sendo essas rochas uma fonte com concentrações maiores de P se comparado ao solo.
1.4.3 Dinâmica de carboidratos
A dinâmica de carboidratos também diferiu entre as espécies. B macrantha foi a que apresentou maior aumento nas concentrações de amido e açúcares totais, principalmente nas folhas na época seca, enquanto que V. nivea apresentou diferenças apenas nos açúcares solúveis no caule e B. flava apresentou diferenças apenas no caule, na concentração de amido e açúcares totais. No início do período de seca, é esperado que a concentração de carboidratos não estruturais aumente nos tecidos, uma vez que a diminuição na disponibilidade de água limita primeiramente o crescimento e depois a fotossíntese (McDowell 2011). Quando a seca se estende por períodos prolongados, ela pode afetar negativamente a fotossíntese e a concentração de carboidratos não estruturais tende a diminuir gradativamente com o tempo até que se esgote ou até que o período chuvoso comece novamente (Sala et al. 2010, McDowell 2011).
Para B. macrantha observamos o aumento gradativo de amido nas folhas durante o período de seca. Para esta espécie, o acúmulo de amido nas folhas tem papel importante pois contribui para a sobrevivência, e serve de fonte de energia durante o processo de ressurgência das folhas (Xu et al. 2010), quando a planta necessita de energia para as reações que acontecem durante a reorganização celular e reconstrução do aparato fotossintético (Farrant et al. 2007). Observamos também um aumento de açúcares solúveis nas folhas e no caule durante o início da estação seca (junho). O acúmulo destes açúcares, como a sacarose, em espécies tolerantes à dessecação tem sido proposto como um mecanismo para proteger a estrutura das células desidratadas (Ingram e Bartels 1996). Esse acúmulo está relacionado tanto com a estabilização de membranas e proteínas (Crowe et al. 1986), como no processo de vitrificação na folha, que trata-se do acúmulo de açúcares para estabilizar e manter a estrutura interna das células
(Ghasempour et al. 1998). Em agosto (estação seca), ocorreu a floração desta espécie, e concomitante queda nas concentrações de açúcares solúveis nas folhas e no caule. Isso pode indicar que os açúcares solúveis são também fonte para produção de novos tecidos, em um período de escassez de recursos.
Em B. flava também observamos variações nos CNE no caule, no entanto, nesta espécie a concentração de amido decresceu no caule durante o período de seca. O uso de amido na folha durante a seca pode estar relacionado a sua hidrólise em açúcares osmoticamente ativos, o que leva a uma absorção de água no tecido, contribuindo para a manutenção do turgor das células do tecido (O’Brien et al. 2014).
Vellozia nivea não apresentou variações na concentração de CNE, exceto pelo aumento da concentração de açúcares solúveis no caule do primeiro ao quarto mês de coleta. Estes resultados são intermediários às outras duas espécies. Esta espécie provavelmente diminuiu suas atividades ao longo da seca, assim não utilizou suas reservas para manter o crescimento, e também não dessecou sua parte vegetativa. Dessa forma, não precisou alocar carboidratos não estruturais para a manutenção da integridade das células de folhas dessecadas, permanecendo com concentrações constantes de CNE nos tecidos.
As três espécies de Velloziaceae estudadas exibiram uma diversidade de respostas com relação ao estoque e uso de carboidratos não estruturais ao longo da seca. Essas diferenças são devidas à complexidade dos fatores que envolvem o uso e produção de carboidratos não estruturais. Primeiro, o substrato em que cada espécie ocorre implica em capacidades diferentes de retenção de água, o que resulta em uma exposição à seca em diferentes momentos e velocidades. Dessa forma, espécies que ocupam locais onde o solo é inexistente, como B. macrantha, devem investir em estratégias para sobreviver a eventos rápidos de disponibilidade de água, mantendo a integridade dos tecidos mesmo quando dessecados. Enquanto que espécies que ocorrem em manchas de solo, devem investir em estratégias para sobreviver à diminuição gradual da água no solo, protegendo seus tecidos da perda constante de água. Segundo, as espécies podem diferir com relação ao uso de água, regulando a abertura estomática a fim de balancear o ganho de carbono e o uso da água. As espécies que ficam ativas apenas no período chuvoso precisam aproveitar este tempo para crescer e para tal, necessitam de altas taxas fotossintéticas. Já espécies que permanecem ativas mesmo no período seco, precisam regular a perda de água na falta de chuvas por meio de regulação da abertura estomática e provável diminuição das taxas fotossintéticas.
1.5 Conclusão
A dinâmica de P e N variou entre as espécies estudadas, sendo mais conservativa em B. macrantha do que nas demais espécies. Todas as espécies apresentaram alta eficiência de uso de nutrientes, com níveis de eficiência e proficiência de remobilização comparáveis a espécies nativas de locais severamente empobrecidos em nutrientes (Hayes et al. 2014; Oliveira et al. 2015). B. flava apresentou maior eficiência de aquisição e de uso de nutrientes e maior eficiência de remobilização de P (95%) enquanto que B. macrantha apresentou maior concentração de nutrientes foliares. Com relação aos carboidratos não estruturais, as espécies também apresentaram respostas contrastantes. B. macrantha aumentou a concentração de amido durante a seca, enquanto que B. flava teve maior aumento de açúcares solúveis e mais uma vez V. nivea apresentou respostas intermediárias às duas espécies, sem variações significativas na concentração destes carboidratos. Desta forma, as espécies da família Velloziaceae apresentam uma diversidade de estratégias para sobrevivência nos campos rupestres, e não apenas duas estratégias bem definidas como sempre-verdes e ressurgentes.
Capítulo 2
Aquisição e uso diferencial de água em duas espécies de Velloziaceae
com estratégias contrastantes para sobreviver a estação seca nos
Campos Rupestres
2.0 Resumo
Os campos rupestres são caracterizados como ambientes sazonais, com uma estação seca marcante, restringindo apenas 10% da precipitação anual de maio a setembro. No entanto, apesar da baixa disponibilidade de água, é comum a ocorrência de orvalho na superfície das folhas. Nestes ambientes encontramos plantas com diferentes estratégias para sobreviver ao período seco, podendo evadir, evitar ou tolerar a seca. Dentre as espécies que toleram a seca, algumas espécies se mantêm sempre-verdes durante a seca, enquanto outras são ressurgentes, pois toleram a dessecação de sua parte vegetativa e após eventos de chuva retomam as atividades metabólicas. Nestes locais, as previsões são de secas mais intensas e severas, que podem acarretar à mortalidade de grande parte dos indivíduos das comunidades vegetais. O objetivo principal do trabalho foi testar a resposta de duas espécies de Velloziaceae com estratégia contrastantes, Vellozia nivea (ressurgente) e Vellozia intermedia (sempre-verde), ao efeito da limitação hídrica e também a contribuição relativa da neblina/orvalho como fontes alternativas de água. Organizamos um experimento em casa de vegetação com três tratamentos, o controle, a seca e o de nebulização. Ao longo das semanas do experimento fizemos medições fisiológicas como taxa fotossintética, condutância estomática, potencial hídrico na madrugada e ao meio dia e também o conteúdo relativo de água nas folhas. Medimos também a temperatura e umidade relativa do ar na casa de vegetação e a disponibilidade de água no solo. As duas espécies apresentaram respostas diferentes à variação na disponibilidade de água no solo. Enquanto a espécie ressurgente apresentou respostas mais rápidas às variações na limitação de água no solo, a espécie sempre-verde apresentou respostas mais lentas, caracterizando as estratégias oportunistas e conservativas de uso de água. Com o tratamento de nebulização, a espécie ressurgente permaneceu com a folhas expandidas por mais tempo, evidenciando possível absorção de água pelas folhas. Por fim, os resultados deste trabalho evidenciam uma maior sobrevivência das espécies ressurgentes em cenários de secas extremas e também a importância de fontes alternativas de absorção de água para retardar o processo de dessecação nestas espécies.
