ESTADOS ENERGÉTICOS E TIPOS DE ÁGUA NA SEMENTE 1

ESTADOS ENERGÉTICOS E TIPOS DE ÁGUA NA SEMENTE

RESUMO - O estado da água apresenta papel fundamental nos diferentes estádios de desenvolvimen-to e na germinação da semente. O presente trabalho interpreta, a partir dos Princípios da Termodinâmica, os conceitos de potenciais hídrico, de pressão, osmótico e matricial na semente. Conforme suas propri-edades termodinâmicas são descritos os diferentes tipos de água na semente e os efeitos correspon-dentes no seu comportamento fisiológico.

Termos para indexação: potencial hídrico, fisiologia de sementes, níveis de hidratação.

ENERGETICS STATUS AND TYPES OF WATER IN THE SEED

ABSTRACT - The water status play a fundamental role during of seed development and germination. According to thermodynamic principles, the present paper interpret water, pressure, osmotic and matric potentials. The different types of water in seed are described based on their thermodynamic properties. The effect of types of water on physiological seed performance is discussed.

Index terms: water potential, seed physiology, hydration levels.

1 _{Aceito para publicação em 27.10.98.}

2 _{Prof. Adjunto, Depto. de Fitotecnia - UFPel/FAEM, 96010-900,} Pelotas-RS; bolsista do CNPq.

3 _{Prof. Titular, Depto. de Agricultura - USP/ESALQ, 13418-900,} Piracicaba-SP; bolsista do CNPq.

INTRODUÇÃO

Para a maioria das espécies ortodoxas, o estado da água apresenta um papel regulador no desenvolvimento e na germi-nação da semente, sobretudo nos estádios críticos do cresci-mento (Westgate, 1994).

O teor de água do zigoto após a fertilização do óvulo, em geral, excede 80%, declinando de forma gradual durante o desenvolvimento da semente até a maturidade fisiológica. O período de dessecação, para muitas espécies, é um even-to normal no desenvolvimeneven-to do embrião, levando a um estado de metabolismo quiescente, que se interpõe entre o desenvolvimento e a germinação. Dependendo do grau de dessecação, a semente entra em criptobiose, quando o in-tercâmbio de matéria e energia entre a semente e o ambiente circundante atinge níveis e velocidades especialmente bai-xos.

Nas espécies recalcitrantes, as sementes podem passar da fase de desenvolvimento para a germinativa, sem que ocorra o

período de quiescência, motivado pela redução da sensibilidade e/ou do nível de ácido abscísico (Kermode, 1995).

A embebição da semente madura não dormente, ocasiona a reativação do sistema metabólico existente, suplementado pela síntese de novos compostos, que levam novamente à expansão e à divisão celular (Labouriau, 1983 e Kermode, 1995), culmi-nando com o reinício do crescimento intra-seminal do embrião e a protrusão da raíz primária.

A seqüência de modificações no teor de água da semente vem se constituindo em parâmetro relativamente eficiente para caracterizar o desenvolvimento da semente, empregado, com freqüência, na determinação da maturidade fisiológica. Entre-tanto, tem se mostrado inadequado para indicar o estado fisio-lógico da água durante o desenvolvimento das sementes, uma vez que não fornece informações sobre a disponibilidade hídrica ou seu estado energético.

Na produção vegetal, a água desempenha papel fundamen-tal, de maneira que sua deficiência ou seu excesso afeta de forma decisiva o crescimento e o desenvolvimento das plantas. Em particular, na semente, o conhecimento do estado da água é essencial para o estudo do desenvolvimento e da germinação. Além disso, as relações hídricas podem fornecer subsídios para explicar o comportamento fisiológico de sementes.

O presente trabalho objetivou apresentar uma revisão críti-ca do conceito de potencial hídrico e dos tipos de água na mente, relacionando com o comportamento fisiológico das se-mentes.

RELAÇÕES HÍDRICAS EM SEMENTES

O teor de água da semente na retomada do crescimento embrionário é, em geral, similar ao da maturidade fisiológica. Todavia, ao longo do processo de embebição, o embrião/eixo embrionário absorve água a uma velocidade superior à do teci-do de reserva. Desta forma, diferentes estruturas da semente não apresentam, necessariamente, concentrações semelhantes de água, o que poderá explicar a ocorrência de germinação, em determinadas situações, quando o teor de água da semente é inferior ao da maturidade fisiológica. Conforme McDonald et al. (1988 e 1994), o teor de água na semente representa a média de concentração em toda a semente, embora possam existir variações entre suas estruturas.

Um aspecto importante a considerar é o fato de que, sob uma determinada condição ambiental, o teor de água nas se-mentes com predominância de reservas cotiledonares ser mai-or no eixo embrionário do que nos cotilédones e, nas endospermáticas, mais elevado no embrião em relação ao endosperma (Marcos-Filho, 1986).

Assim, por exemplo, no reinício do crescimento embrio-nário, a semente de milho atinge teor de água de 30-35%, en-quanto o embrião e o endosperma alcançam, respectivamente, 50-55% e 25-30% (McDonald et al., 1994). Por outro lado, a semente de soja apresenta 60-65%, embora o eixo embrionário e os cotilédones cheguem, respectivamente, a 70-80% e 55-60% (McDonald et al., 1988). Estas variações resultam das diferenças, quanto ao tamanho e à composição química, entre endosperma/cotilédones e o embrião/eixo embrionário.

De forma genérica, as espécies apresentam, conforme o cultivar e as condições ambientais reinantes, diferenças apreci-áveis no teor de água na maturidade fisiológica. Por outro lado, segundo Egli & Tekrony (1997), o potencial hídrico do em-brião ou do eixo embrionário não apresenta variações acentua-das entre as espécies no final da maturação ou no início da germinação (protrusão da raíz primária), conforme mostra a Tabela 1, o que evidencia a ação regulatória do estado da água no desenvolvimento da semente.

O potencial hídrico do embrião/eixo embrionário permane-ce relativamente constante durante grande parte da fase de en-chimento da semente, decresce rapidamente com a aproxima-ção da maturidade fisiológica e, a partir daí, continua a declinar conforme as condições ambientais e as barreiras físicas ao movimento da água da semente para o ar atmosférico (Westgate, 1994 e Egli & Tekrony, 1997).

Assim, Bradford (1994), Kermode (1995) e Egli & TeKrony (1997), considerando a similaridade de potenciais hídricos de embrião e de eixo embrionário na maturidade fisiológica e na germinação, sugerem que o estado da água possa representar uma função reguladora no desenvolvimento e na germinação da semente.

POTENCIAL HÍDRICO

A água na semente pode ser caracterizada por um estado de energia. A energia potencial, uma função da posição relativa e condição interna da água nas diferentes partes de um sistema, vem sendo utilizada para a determinação desse estado.

Dentre as funções energéticas, denominadas potenciais termodinâmicos, especial interesse existe em relação à energia livre de Gibbs, que expressa a máxima energia disponível para a realização de trabalho, pela conveniência na descrição do esta-do de energia da água. É uma função de ponto dependente so-mente do estado do sistema, de maneira que por independer do processo, sua variação pode ser determinada para o processo mais conveniente (Salisbury & Ross, 1992 e Reichardt, 1996). O potencial total da água no sistema solo-semente-atmos-fera representa a energia livre de Gibbs específica. Desta for-ma, o potencial hídrico é uma grandeza intensiva que pode ser apresentada nas formas de energia por unidade de volume, de massa ou de peso. A energia por unidade de volume possui dimensões físicas de pressão, em conseqüência, o potencial hídrico pode ser expresso em unidades de medida de pressão (Villela et al., 1991).

O Segundo Princípio da Termodinâmica estabelece que qualquer sistema somente pode evoluir de forma espontânea para estados em que ocorra diminuição da energia livre de Gibbs. Assim sendo, o potencial total da água permite verificar a ocor-rência ou não de equilíbrio hídrico num sistema, bem como prever a orientação do fluxo espontâneo da água, segundo um gradiente negativo de potencial hídrico (Labouriau, 1983).

De modo a obter uma abordagem geral dos fenômenos em que a água participa no solo, na semente e na atmosfera, surge a necessidade de uma medida do potencial hídrico que seja, de acordo com o princípio da superposição, uma função aditiva de diversos termos, cada um representando um tipo de interação entre as moléculas de água e outros constituintes.

TABELA 1. Estado da água na maturidade fisiológica e na germinação (protrusão da raiz primária) de sementes de milho, soja e trigo (adaptado de Egli & Tekrony, 1997).

Maturidade fisiológica Germinação Espécie _______________________________________ ___________________________________________

Teor de água1

(%) Potencial hídrico

2

(MPa) Teor de água

1 (%) Potencial hídrico 2 (MPa) Milho 37,7 -1,61 33,2 -2,20 Soja 59,0 -1,52 51,4 -2,07 Trigo 43,7 -1,66 34,5 -2,20

1 _{Teor de água da semente, expresso em base úmida.}

Nas sementes, os processos ocorrem sob condições cons-tantes de temperatura e posição, tornando nulos os potenciais

de temperatura e gravitacional. Assim, o potencial hídrico (Ψ)

pode ser expresso pela soma de três componentes: de pressão (Ψp), osmótico (Ψs) e matricial (Ψm).

O potencial de pressão, também denominado potencial de turgor, é determinado pela pressão exercida pela parede celular sobre o conteúdo celular, quando a célula está turgida (Bewley & Black, 1994).

A matriz, o material com superfícies hidrofílicas (por exem-plo, proteínas e polissacarídeos), apresenta, nas interfaces interações com a água, envolvendo forças capilares e de adsorção, resultando no potencial matricial ou mátrico (Salisbury & Ross, 1992).

O potencial osmótico, também denominado potencial de soluto, é condicionado pelas ligações entre a água e os solutos. A presença de solutos causa diminuição da energia livre de Gibbs do solvente. Em vista disso, a energia potencial da água na pre-sença de solutos é inferior à energia da água pura, considerada padrão, de forma que é atribuído o valor nulo ao potencial osmótico neste estado de referência (Labouriau, 1983 e Reichardt, 1996).

É importante ressaltar que as membranas celulares são semi-permeáveis, permitindo a passagem da água, sendo, en-tretanto, seletivas ao trânsito de diversos íons, dependendo de sua integridade.

A Termodinâmica das Soluções estabelece o potencial osmótico de uma solução diluída através da expressão

RT Lna₁,

Ψ ΨΨ ΨΨs = Vi

onde R é a constante universal dos gases ideais; T é a tempera-tura absoluta; V_i é volume parcial molar da água e a_i é a atividade da água. A atividade de água que expressa uma concentração corrigida para soluções muito diluídas, pode ser substituída pelo produto entre o coeficiente de atividade e a concentração (Reichardt, 1996).

A medida dos potenciais hídricos pode ser obtida por vári-os métodvári-os, conforme o material e a finalidade da medida. Dentre os mais empregados, é válido destacar os métodos de pressão de vapor (psicrômetro), do ponto de congelamento e do volu-me constante. Em virtude da precisão e exatidão, o método da pressão de vapor vem sendo empregado para a determinação do potencial hídrico em sementes. É importante enfatizar que um sistema hídrico atinge o equilíbrio quando a variação de potencial é igual a zero, ou seja, o potencial é igual em todas as

partes do sistema, embora o teor de água possa variar de um ponto para outro. Deste modo, uma parte da semente pode ser introduzida numa pequena câmara isovolumétrica com ar, mantida sob temperatura constante (sistema isolado) e, após o equilíbrio ter sido alcançado, o potencial hídrico pode ser deter-minado.

De acordo com a lei de Raoult, a pressão de vapor de solu-ções perfeitas é proporcional a fração molar do solvente, o que permite escrever a expressão de potencial hídrico, na forma:

RT Ln p Ψ Ψ Ψ Ψ Ψ = Vi po

onde p é a pressão parcial de vapor da água e p_o é a pressão

parcial do vapor saturante da água (Labouriau, 1983 e Salisbury & Ross, 1992).

Considerando a definição de umidade relativa

p UR(%) = x 100, p_o

é possível verificar que o potencial hídrico decresce de forma rápida com a diminuição da umidade relativa. Sob o ponto de vista da planta no solo, o intervalo útil de umidades relativas situa-se entre 99% (-1,36MPa) e 100% (0MPa). Por outro lado, as medidas precisam ser obtidas em ambiente a temperatura constante, porque pequenas alterações ocasionam variações acentuadas na umidade relativa e, consequentemente, no po-tencial hídrico.

Para sementes mantidas em ambientes à pressão atmosfé-rica, o potencial osmótico da água na semente é sempre negati-vo, em virtude da presença de solutos, bem como o potencial matricial, devido à presença de colóides nas células das semen-tes, onde as forças capilares e de adsorção não podem ser ne-gligenciadas. Em conseqüência, o potencial hídrico da semente e de suas diferentes estruturas é sempre negativo.

NÍVEIS DE HIDRATAÇÃO E COMPORTAMENTO FISIOLÓGICO DE SEMENTES

Em sementes, a natureza e a forma de ligação da água afe-tam o estado fisiológico das células (Vertucci & Farrant, 1995). Uma análise do comportamento da semente sob o ponto de vista termodinâmico exige o conhecimento das propriedades da água, cujas alterações discretas que ocorrem num potencial químico específico denominam-se mudanças de fase.

Numa semente, a análise das propriedades da água é com-plexa, visto que, conforme suas propriedades termodinâmicas, são observados diferentes tipos de água que podem representar Ψ

ΨΨ

estados de equilíbrio (líquido e cristalino) e não-equilíbrio (ví-treo) e caracterizar fases distintas (Vertucci, 1990).

A fase vítrea ou estado vítreo representa um líquido super-viscoso, cuja reversão ao estado de equilíbrio ocorre de forma lenta, o que caracteriza a estabilidade cinética, mas não termodinâmica (Franks, 1982).

As propriedades superficiais das macromoléculas, parti-cularmente as protéicas pelo interesse fisiológico, são modifi-cadas pelo nível de hidratação. As proteínas, compostos orgâ-nicos constituídos de polímeros de aminoácidos, apresentam múltiplos sítios de sorção de água. As ligações das moléculas de água às proteínas ocorrem através de grupos iônicos e pola-res, estes últimos pela formação de ligações - hidrogênio da molécula de água com hidroxila, imina, amina, carboxila e carbonila. Estas múltiplas formas de ligação condicionam a con-formação da proteina, ou seja, sua estrutura secundária e terceária (Labouriau, 1983). Assim sendo, as diferentes formas de interação modificam de maneira significativa as proprieda-des da água, bem como, das macromoléculas.

As interações superficiais água-proteína variam conforme a região da macromolécula, ocasionando variações discretas nas propriedades da água nos tecidos das sementes, que variam conforme o nível de hidratação (Williams & Leopold, 1989 e Vertucci, 1990).

De acordo com o modelo dos múltiplos sítios de sorção de água pelas macromoléculas, Vertucci (1990 e 1993) e Vertucci & Farrant (1995) descrevem cinco tipos de água. O tipo 1 ca-racteriza a água ligada quimicamente por grupos iônicos, sendo importante para a manutenção da integridade estrutural das macromoléculas (água estrutural). Ocorre em teores de água, expressos em base úmida, inferiores a 7,5% (Y < -150MPa), sendo observadas pequena atividade enzimática e aceleração da deterioração pela desestabilização da estrutura protéica, acúmulo de subprodutos do metabolismo (radical livre), peroxidação de lipídios e perda de função da membrana celular, causada pelas transições de fase e/ou segregação de vários componentes de seus constituintes (Rockland, 1969; Vertucci & Leopold, 1987; Vertucci & Roos, 1990 e Bruni & Leopold, 1992).

A água tipo 2 interage com sítios hidrofílicos da proteína e apresenta características do estado vítreo. O teor de água está compreendido entre 7,5% (-150MPa) e 20% (-11MPa) e verifica-se a ocorrência de determinadas reações catabó-licas sob a ação de enzimas (Vertucci & Roos, 1990 e Vertucci, 1993).

Há também a considerar o acentuado aumento na intensi-dade respiratória de sementes ortodoxas, sobretudo a partir de 14 a 16% de água, dependendo da temperatura.

A água ligada, constituída pelos tipos 1 e 2, em princípio, não sofre solidificação, em razão da formação dos estados

ví-treos, em temperaturas abaixo do ponto de congelamento da água pura.

A água tipo 3, com capacidade para umedecer as ma-cromoléculas, forma pontes com sítios hidrofóbicos de macro-moléculas, sendo observada entre teores de água de 20% (-11MPa) e 33% (-4MPa). Nos teores correspondentes à água tipo 3 ocorrem atividades catabólicas significativas, havendo consumo de substâncias de reserva e produção de toxinas (ra-dicais livres).

Em potenciais hídricos inferiores a -3MPa cessa a síntese protéica e o processo de reparo torna-se inoperante (Dell’Aquila, 1992). Vale lembrar que a total remoção da água tipo 3 é letal para a grande maioria das sementes recalcitrantes maduras (Pammenter et al., 1991 e Vertucci, 1993).

É importante destacar que os teores de água relativos aos tipos 1, 2 e 3 de água são afetadas pela composição química da semente e temperatura, entre outros fatores.

A água tipo 4 apresenta propriedades similares a uma solu-ção concentrada de água e pode ser identificada pela baixa tem-peratura de solificação. Sua ocorrência verifica-se entre teores de água de 33% (-4MPa) e 41% (-1,5MPa), ocupando, possi-velmente, poros ou capilares e não interagindo diretamente com a superfície das proteínas. Neste nível de hidratação ocorrem determinados processos de biossíntese, necessários à germina-ção, como a síntese protéica. A remoção da água tipo 4 causa a morte de embriões imaturos e de plântulas.

A água tipo 5 tem comportamento semelhante a uma solução diluída de água e pode ser considerada água livre. Sua ocorrência é observada em teores de água superiores a 41% (> -1,5MPa).

Com a remoção da água tipo 5, os tecidos não apresentam crescimento (Mc Intyre, 1987) e há alterações nos padrões de síntese de ácidos nucléicos e proteínas (Dell’Aquila & Spada, 1992).

O estado da água afeta a natureza e a cinética das reações metabólicas, levando a crer que os mecanismos da deterioração de sementes diferem para cada nível de hidratação da semente durante o armazenamento.

CONCLUSÕES

Os resultados de pesquisa evidenciam que o potencial hídrico da semente ou de suas estruturas possa constituir-se num melhor indicador do estado da água do que o teor de água. Por outro lado, existem fortes evidências que o mecanismo da deterioração da semente varia conforme o nível de hidratação das sementes armazenadas.

REFERÊNCIAS

BEWLEY, Y.D. & BLACK, M. Seeds: physiology of development and

germination. New York: Plenum Press, 1994. 445p.

BRADFORD, K.J. Waters tress and the water relations of seed development: a critical review. Crop Science, Madison, v.34, n.1, p.1-11, 1994.

BRUNI, F.B. & LEOPOLD, A.C. Cytoplasmic glass formation in maize embryos. Seed Science Research, New York, v.2, n.4, p.251-253, 1992.

DELL’AQUILA, A. Water uptake and protein synthesis in germinating wheat embryos under osmotic stress of polyethylene glycol. Annals of Botany, Camberra, v.69, n.2, p.167-171, 1992.

DELL’AQUILA, A. & SPADA, P. Regulacion of protein synthesis in germinating wheat embryos under polyethylene glycol and salt stress. Seed Science Research, New York, v.2, n.2, p.75-80, 1992.

EGLI, D.B. & TEKRONY, D.M. Species differences in seed water status during -seed maturation and germination. Seed Science

Research, New York, v.7, n.1, p.3-11, 1997.

FRANKS, F. The properties of aqueous solutions at subzero temperatures. In: FRANKS, F. (Ed.), Water: a comprehensive

treatise. Nova York: Plenum Press. 1982. p.215-338.

KERMODE, A.R. Regulatory mechanisms in the transition from seed development to germination: interactions between the embryos and the seed environment. In: KIGEL, J. & GALILI, G. (Ed.)

Seed development and germination. New York: Marcel Dekker,

1995. p.273-332.

LABOURIAU, L.G. A germinação das sementes. Washington: OEA,1983.174p.

McDONALD, M.B.Jr.; VERTUCCI, C.W. & ROOS, E.E. Soybean seed imbibition: water absortion by seed parts. Crop Science, Madison, v.28, n.6, p.993-997. 1988.

McDONALD, M.B. Jr.; SULLIVAN, J. & LAUER, M.J. The pathway of water uptake in maize seeds. Seed Science & Technology, Zürick, v.22, n.1, p.79-90, 1994.

MARCOS-FILHO, J. Germinação de sementes. In: CÍCERO, S.M.; MARCOS-FILHO, J. & SILVA, W.R. (org.). Atualização em

pro-dução de sementes. Campinas: Fundação Cargill, 1986. p.11-39.

Mc INTYRE, G.I. The role of water in the regulation of plant development. Canadian Journal of Botany, Ottawa, v.65, n.7, p.1287-1298, 1987.

PAMMENTER, N.W. VERTUCCI, C.W. & BERJAK, P. Homeohydrous (recalcitrant) seeds: dehydration, the state of water and viability characteristcs in Landolphia kirkii. Plant

Physiology, Rockville, v.96, n.6, p.1093-1098, 1991.

REICHARDT, K. Dinâmica da matéria e da energia em ecossistemas. Piracicaba: Depto. de Física e Meteorologia, USP/ESALQ, 1996. 513p.

ROCKLAND, L.B. Water activity and storage stability. Food

Technology, Chicago, v. 23, n.4, p.1241-1251, 1969.

SALISBURY, F.B. & ROSS, C.W. Plant Physiology. Belmont, California: Wadsworth, 1992. 682p.

VERTUCCI, C.W. Calorimetric studier of the state of water in seed tissues. Biophysical Journal, London, v.58, n.5, p.1463-1471, 1990.

VERTUCCI, C.W. Predicting the optimum storage conditions for seeds using thermodynamic principles. Journal Seed

Technology, Lansing, v.17, n.2, p.41-53, 1993.

VERTUCCI, C.W. & FARRANT, J.M. Acquisition and loss of desiccation tolerance. In: KIGEL, J. & GALILI, G (ed.). Seed

development and germination. New York: Marcel Dekker Inc.,

1995. p.237-271.

VERTUCCI, C.W. & LEOPOLD, A.C. Water binding in legume seeds.

Plant Physiology, Rockville, v.85, n.1, p.224-231, 1987.

VERTUCCI, C.W. & ROOS, E.E. Theoretical basis of protocols for seed storage. Plant Physiology, Rockville, v.94, n.3, p.1019-1023, 1990.

VILLELA, F.A.; DONI-FILHO, L. & SEQUEIRA, E.L. Tabela de po-tencial osmótico em função da concentração de polietileno glicol 6000 e da temperatura. Pesquisa Agropecuária Brasileira, Brasília, v.26, n.11/12, p.1957-1968, 1991.

WESTGATE, M.E. Water status and development of the maize endosperm and embryo during drought. Crop Science, Madison, v.34, n.1, p.76-83, 1994.

WILLIAMS, R.J. & LEOPOLD, A.C. The glassy state in corn embryos. Plant Physiology, Rockville, v.89, n.4, p.977-981, 1989.