CAPÍTULO IV

CAPÍTULO IV
INTRODUÇÃO AO ESTUDO DA NUTRIÇÃO MINERAL
1- Introdução
A Nutrição Mineral é uma ciência complexa cuja base se alicerça em princípios
bioquímicos e fisiológicos. Devido a natureza complexa da relação solo-planta-atmosfera,
estudos na área de nutrição mineral têm envolvido participações de químicos, pedologistas,
microbiologistas, hidrologistas e fisiologistas.
Os nutrientes minerais constituem, ao lado de outros elementos do ambiente como
radiação, temperatura, água e da fração microbiota do solo, os principais fatores da
produção vegetal, somados aos fatores de natureza genética. Altas produtividades agrícolas
dependem em grande escala da fertilização com minerais. Ao longo da última década, o
consumo de nutrientes minerais como N; P; K chegou a ordem dos 143 milhões de
toneladas. Do total de nutrientes minerais adicionados no solo através das adubações,
menos da metade são absorvidos e assimilados pelas plantas, sendo os restantes, lixiviados
por águas superficiais e subterrâneas e uma parte aderida às partículas do solo. Nos Estados
Unidos da América, os fertilizantes lixiviados tem contribuído de forma significativa para a
contaminação da água, sobretudo, com altos níveis de nitratos.
2- Nutrientes Essenciais
A essencialidade é definida como na ausência de um determinado nutriente na
planta, esta é impedida de completar o seu biociclo (Arnon & Stout); Epstein; Arnon &
Hougland ou ainda, aquele que exerça algum papel fisiológico e/ou bioquímico, é claro. No
início da década de 50, Arnon & Hougland na Universidade da Califórnia, Campus de
Davis, estabeleceram os critérios de essencialidade, como sendo: a) um elemento é
considerado essencial quando ele é parte integrante de uma molécula vital, como o ATP,
dentre outras; b) um elemento é essencial quando ele participa de uma reação metabólica
como cofator enzimático, como por exemplo, o molibdênio, dentre outros; c) um elemento
é essencial quando ele participa de um processo fisiológico em níveis celular, tecido, órgão
ou planta inteira. Como exemplo, destaca-se o papel do K no mecanismo estomático e no
transporte de assimilados, dentre outros.
Dos elementos minerais detectados na biosfera e nos tecidos vegetais, somente 13
são considerados essenciais às plantas. Atualmente, alguns autores, no entanto, afirmam
que níquel (Ni), silício (Si) e sódio (Na) podem ser considerados também essenciais.
Carbono, oxigênio e hidrogênio, embora não sendo elementos minerais, são considerados
nutrientes essenciais, sendo obtidos pelas plantas primariamente a partir do dióxido de
carbono e da água. Os nutrientes essenciais são classificados em duas categorias
(macronutrientes e micronutrientes), de acordo com a sua demanda e concentração no
tecido. No entanto, alguns autores tem tido dificuldades neste tipo de classificação, por ser
meramente arbitrária, sendo que em muitos casos, não satisfaz as exigências das plantas.
Por exemplo, algumas plantas exigem Fe e Mn em maior quantidade que S ou Mg. Diante
desse fato, tem se optado por uma classificação de acordo com suas funções sob os pontos
de vista bioquímico e fisiológico. A tabela 4.1, mostra essas duas classificações dos
nutrientes, em termos de grupo, a saber: O grupo 1 de elementos essenciais é formado por
compostos orgânicos a base de C. As plantas assimilam esses nutrientes por meio de
reações bioquímicas, envolvendo reações do tipo redoxi. O grupo 2 é importante em
reações de armazenamento de energia e na manutenção da integridade estrutural. Esses
elementos estão comumente presentes sob a forma de fosfato, borato e ésteres silicato. O
grupo 3 é representado por íons livres ou ligados a substâncias tais como ácidos pécticos da
parede celular. Esses íons agem-se como cofatores enzimáticos e na regulação de potenciais
osmóticos. Os constituintes do grupo 4, desempenham importantes funções ligadas às
reações de redoxi, associadas às cadeias de transporte de elétrons (CTE). Outros elementos
como alumínio, selênio e cobalto podem acumular nos tecidos, porém não são considerados
elementos essenciais ou nutrientes.
A expressão máxima das desordens metabólicas e/ou fisiológicas resultantes da
insuficiência ou deficiência de um nutriente na planta conduz ao aparecimento de sintomas
característicos. Estes sintomas são decorrentes das funções que esses nutrientes
desempenham na planta ou de suas capacidades de translocação ou de retranslocação de
acordo com a idade das folhas. De acordo com a mobilidade de cada nutriente na planta, os
sintomas de deficiência poderão ser notados em folhas velhas (caso o nutriente seja móvel)
ou em folhas jovens (caso seja pouco móvel). A tabela 4.2 caracteriza os principais
sintomas de deficiência, mobilidade de nutrientes e formas de absorção.
Tabela 4.1: Níveis elementares adequados nos tecidos e classificação dos nutrientes
inorgânicos de acordo com suas funções fisiológicas ou bioquímicas.
Nutriente mineral
Conc. MS
%
ppm
Grupos
Macronutrientes
N
1
1,5
P
2
0,2
K
3
1
S
1
0,1
Ca
3
0,5
Mg
3
0,2
Si
2
0,1
Micronutrientes
Zn
4
Funções
Constituinte de biomoléculas: aminoácidos, amidas,
proteínas, ácidos nucléicos, nucleotídeos, co-enzimas,
etc.
ATP, açucares fosfatados, ácidos nucléicos,
nucleotídeos, co-enzimas, fosfolipideos, acido fitico,
etc.
Co-fator de cerca de 40 enzimas, cátion associado ao
turgor celular e manutenção da eletroneutralidade
celular.
Constituinte dos aminoácidos cistina, cisteína e
metionina; proteínas, acido lipóico, co-enzima A,
tiamina, pirofosfato, biotina, glutationa, 3fosfoadenosina, etc.
Integrante da lamela media, cofator de algumas
enzimas envolvidas na hidrólise do ATP e de
fosfolipideos. Atua como mensageiro secundário na
regulação metabólica.
Cofator de enzimas envolvidas na transferência de
fosfatos, constituinte da clorofila.
Associa-se às propriedades mecânicas das paredes
celulares (rigidez e elasticidade); depositado como
sílica amorfa
20
Constituinte da desidrogenase alcoólica e glutâmica,
anidrase carbônica e etc.
B
2
20
Associado ao alongamento celular, metabolismo de
ácidos nucléicos, integrante de complexos
constituintes das paredes celulares (Complexo com
manitol, manans)
Cu
4
6
Componente da acido ascórbico oxidase, tirosinase,
uricase, citocromo oxidase, fenolase, e plastocianina.
Fe
4
100
Constituinte de citocromos e ferro-proteinas
envolvidas na fotossíntese, respiração e fixação de
N2.
Mn
3
50
Envolvimento na evolução de O2 fotossintetico e
cofator de algumas desidrogenases, descarboxilases,
quinases, oxidases e peroxidases.
Mo
4
0,1
Cofator da nitrato redutase, nitrogenases e xantina
desidrogenase.
Cl
3
100
Participa na reação de Hill e evolução do O2
fotossintético.
Ni
4
0,1
Integrante da urease e hidrogenases. Participa no
processo de fixação do N2
Na
3
10
Participa na regeneração do PEP em plantas C4 e
CAM, substitui o K em alguns casos.
Grupo 1: nutrientes que fazem parte de compostos de carbono; Grupo 2: nutrientes ligados ao armazenamento de energia e
integridade estrutural; Grupo 3: nutrientes que permanecem na forma iônica; Grupo 4: nutrientes envolvidos em reações
redox.
Fonte: Evans e Sorger (1966); Mengel e Kirkby (1987)
Tabela 4.2: Formas de absorção, mobilidade e sintomas de deficiência mineral.
Nutriente
Forma de absorção
Mobilidade
Compostos presentes
Principal Sintoma de deficiência
N
NO-3; NH+4; uréia
Alta (forma
orgânica)
Aminoácidos, amidas,
Folhas mais velhas amareladas
aminas, poliaminas,
fitohormônios, clorofilas,
alcalóides, vitaminas,
coenzimas, dentre outros
P
H2 PO-4 ; HPO2-4 ;
Nucleotídeos, ácidos
nucleicos, ésteres de
carbohidratos,
fosfolipídeos, coenzimas
Coloração verde azulada ou bronzevioleta em folhas velhas
PO3 – 4
Alta (forma
orgânica) e
baixa(forma
iônica)
K
K+
Alta
Sais orgânicos
Necrose marginal de folhas mais
velhas
Ca
Ca2+
Muito baixa
Componente de parede
(pectatos de cálcio)
Clorose marginal d efolhas jovens e
morte de gemas apicais
Mg
Mg++
Alta
Clorofilas
Clorose internerval, seguindo todo o
limbo foliar
S
SO4 2- no solo e SO2
no ar
alta
B
HBO32- ; HBO3
Baixa
Zn
Zn2+, quelatos
Baixa
Alguns aminoácidos,
Clorose da nervura central até o centro
sulfolipídeos, coenzimas, do limbo de folhas jovens
metabólitos secundários
Boratos em geral
Morte d egemas apicais, folhas
estreitas, retorcidas com bordas
irregulares
Anidrase carbônica,
Folhas pequenas e irregulares, nervuras
aldolase
verdes contra fundo amarelado
Cu
Cu2+, quelatos
Baixa
Polifenoloxidases,
plastocianina
Mn
Mn2+ , quelatos
Média
Predominam naf orma
iônica
Fé
Fe2+, quelatos
Baixa
Mo
MoO42-
Baixa
Cloro
Cl-
Alta
Folhas novas curvadas p/ cima em “S”
Folhas jovens com regiões internervais
verde-clara com pontuações
amareladas. Folhas velhas apresentam
necrose nas pontas, progredindo p/ o
ápice
Citocromos, ferredoxina, Lâmina foliar verde claro com nervuras
catalase, peroxidase,
verde escuro. Alto graus de deficiência,
redutase do nitrato,
folhas amareladas e em seguida,
nitrogenase
esbranquiçadas
Redutase do nitrato,
Manchas verde-amareladas com
nitrogenase
necrose central do limbo, as folhas
curvam-se para baixo
Sais de cloreto
Enrolamento das folhas
Além da importância da classificação dos nutrientes, torna-se de fundamental
importância saber a relação entre as concentrações no tecido, desenvolvimento da planta e
sua respectiva produção (figura 4.1). A figura mostra as faixas correspondentes à
deficiência, ideal e de toxidade. A demanda dos nutrientes minerais pela planta varia de
acordo com a sua idade, ou seja, de acordo com a fase do seu desenvolvimento, visando a
produtividade máxima de grãos, tubérculos, raízes e mesmo de biomassa verde, no caso
particular de espécies forrageiras. Para alcançar esses objetivos, recomenda-se o
acompanhamento dos níveis de nutrientes nas folhas, assim como a análise dos níveis de
nutrientes no solo. Cada espécie vegetal apresenta níveis crítico, adequado e tóxico
específicos. Com relação aos micronutrientes, deve-se ter uma atenção especial devido a
amplitude entre as faixas de deficiência e de toxidez serem muito estreitas. Pequenas
quantidades adicionadas em excesso poderão criar condições de toxidez iônica, com
reflexos negativos para o desenvolvimento da planta.
Faixa de
deficiência
Faixa adequada
Faixa de
toxidez
Nível crítico
Figura 4.1. Relações entre níveis de deficiência, adequado e de toxidez com as respectivas
concentrações dos nutrientes inorgânicos no tecido.
3- Reposição de Nutrientes para as Plantas
Práticas agrícolas convencionais e culturas de subsistência promovem a reciclagem
de nutrientes minerais. Entretanto, isto não é suficiente para a reposição dos nutrientes
absorvidos pelas plantas. Outro aspecto que deve ser considerado é a perda de nutrientes
por lixiviação. Diante desse quadro, torna-se importante e necessário devolver ao solo
agrícola esses nutrientes por meio da adição de fertilizantes. A fertilização foliar também é
uma prática recomendada como forma de suplementação nutricional e, ainda, como forma
de corrigir as deficiências, sobretudo, de micronutrientes.
A grande maioria dos fertilizantes contém os macronutrientes N; P; K, podendo ser
classificados em duas categorias (fertilizantes simples, que contém apenas um desses
nutrientes ou fertilizantes compostos, que contém mais de dois desses nutrientes). Na
primeira categoria, incluem nitrato de amônio e superfosfatos, enquanto na segunda
categoria, incluem as formulações de N:P:K, contendo diferentes proporções de N; P2O5 e
K2O. Nesta segunda categoria, incluem os fertilizantes corretivos como os calcáreos e
sulfatos, recomendados para solos ácidos e alcalinos, respectivamente. No caso de solos
alcalinos, o gesso agrícola ou a adição de enxofre elementar é absorvido pelos
microrganismos, os quais liberam hidrogênio, acidificando o solo.
Além dos fertilizantes inorgânicos, também merecem destaque os adubos orgânicos
provenientes de resíduos de vegetais e animais. Entretanto, eles necessitam ser degradados,
geralmente por microrganismos do solo, por um processo conhecido por mineralização.
Uma outra vantagem adicional dos fertilizantes orgânicos é contribuir para a melhoria da
estrutura física do solo, favorecendo a retenção de umidade na época da seca e drenando
melhor a água na época das chuvas.
Como discutido anteriormente, o fornecimento de nutrientes pode ser também
realizado via foliar, através de pulverizações. Este tipo de adubação, apresenta algumas
vantagens em relação à adubação de solo, como por exemplo, o tempo mais curto de
resposta da planta, devido ser mais rapidamente absorvido pela planta. Outra vantagem
seria a maior eficiência de absorção de alguns elementos como ferro, manganês e cobre
quando comparados com a aplicação no solo. Para aumentar a eficiência de absorção via
folha predominantemente através da cutícula, recomenda-se o uso de químicos surfactantes,
como o Tween 80 que reduz a tensão superficial.
No contexto da nutrição mineral, considerando-se o solo como um substrato
complexo do ponto de vista físico, químico e biológico, deve ser dada uma atenção especial
às relações entre raízes das plantas e a flora microbiana do solo, devido a forte competição
por nutrientes existente entre esses dois elementos do ecossistema solo. Raízes e
microrganismos podem estabelecer laços de estreita aliança para benefício mútuo,
denominado de simbiose, com destaque para a fixação simbiótica de nitrogênio e
associações micorrízicas, fatores essenciais na produtividade das plantas.
4- Assimilação de Nutrientes Minerais
4.1- Nitrogênio
A fonte preferencial de nitrogênio para as plantas superiores é o nitrato (NO-3). No
entanto, antes dessa forma ser incorporada em compostos orgânicos, ela necessita ser
reduzida a amônio (NH4+). Este processo de redução, que ocorre tanto em folhas como em
raízes, consiste basicamente de duas etapas, inicialmente a redução do NO-3 a nitrito (NO-2)
em nível de citoplasma, reação essa catalizada pela enzima Nitrato Redutase. Nesta fase, a
Nitrato Redutase utiliza como doador de elétrons, principalmente o NADH proveniente da
via glicolítica; podendo em tecidos aclorofilados, fazer uso também do NADPH, oriundo da
rota oxidativa da pentose fosfato. O segundo passo se caracteriza pela redução do NO-2 a
NH4+, reação essa catalizada pela enzima Nitrito Redutase, que depende da ferredoxina
reduzida (fd red) como doadora de elétrons, considerando-se, no caso, tecidos clorofilados.
No caso das raízes, o poder redutor vem da via oxidativa da pentose fosfato. A figura 4.2
mostra de maneira geral e simplificada, as seqüências metabólicas da redução do NO-3 a
NH+4 em tecidos clorofilados (folhas) e aclorofilados (raízes).
Tecidos clorofilados
Citoplasma
NADH+ + H+
Cloroplasto
NAD+ + H2O
NO3-
NO2Redutase do Nitrato
Fdred
Fdox
NO2-
NH4+
Redutase do Nitrito
Tecidos aclorofilados
Citoplasma
NADH+ + H+
NO3-
plastídeos
NAD+ + H2O
NO2-
NADPH+ + H+
NO2-
NADP+ + H2O
NH4+
Figura 4.2. Seqüência metabólica da redução do nitrato a amônio
Um aspecto que deve ser considerado nesse contexto, é que o nitrato similarmente
ao nitrito podem ser tóxicos acima de certos limites, tanto para animais como para as
plantas. No primeiro caso, altos níveis de nitrato podem levar o fígado a reduzí-lo a nitrito,
que combina com a hemoglobina causando a metemoglobinemia, uma doença que impede
que a hemoglobina combine com o oxigênio. O homem e outros animais podem converter o
nitrato em nitrosaminas, substâncias potencialmente carcinogênicas. No caso do nitrito,
também altos níveis nos tecidos podem ser tóxicos tanto para animais quanto para plantas.
Nas plantas, especialmente, o nitrito é capaz de dissipar os gradientes de prótons
transmembrana, fundamentais no transporte de elétrons tanto na fotossíntese como na
respiração.
Fatores que afetam a atividade das enzimas de redução
Nitrato Redutase
A concentração de nitrato no tecido, luz e carboidratos são fatores que interferem
na atividade dessa enzima em nível de transcrição e tradução. Pesquisas em alguns
representantes de poáceas de inverno tem demonstrado que a atividade do mRNA da
nitrato redutase aparece nos primeiros quarenta minutos após a adição de nitrato no meio de
cultivo. Embora tenha sido observado um aumento rápido na síntese de mRNA, verificouse também um aumento gradual e linear na atividade da enzima, refletindo numa síntese
mais lenta da proteína. Carboidratos e radiação bem como outros fatores do ambiente,
favorescem a atividade da fosfatase que desfosforila resíduos de serina na proteína nitrato
redutase, aumentando sua atividade. Por outro lado, o escuro e o Mg2+ agem
antagonicamente, estimulando a quinase que fosforila os mesmos resíduos de serina,
interagindo com uma proteína inibidora, inativando a nitrato redutase. Dessa maneira, a
planta pode regular os níveis de nitrito e de amônio, que acima de certos limites, poderão
ser fitotóxicos. A figura 4.3 mostra as relações entre tempo e atividade da Redutase do
Nitrato em partes aérea e radicular após o início da biossíntese de mRNA .
Figura 4.3: Atividade da Redutase do Nitrato na parte aérea e raízes de plantas de cevada
após a indução da biossíntese de mRNA desta enzima de redução (Fonte: Kleinhofs e cols.,
1989).
Nitrito Redutase
O nitrito é um íon potencialmente fitotóxico, por isso, deve ser imediatamente
reduzido a amônio. Para isto, ele deve ser sistematicamente transferido do citosol para os
cloroplastos (folhas) ou para outros plastídeos (raízes, ou outros órgãos aclorofilados). As
concentrações de nitrato no tecido bem como a luz são fatores que induzem a transcrição de
mRNA da nitrito redutase. Os produtos finais da redução do nitrito, asparagina e glutamina
reprimem esta indução.
Parte aérea e raízes assimilam nitrato
A disponibilidade de nitrato no solo constitui o fator determinante da taxa de
assimilação de nitrato nas diferentes partes da planta e em diferentes espécies. A medida
que se aumenta o suprimento de nitrato no solo, a maior parte do nitrato absorvido se
transloca para a parte aérea onde o mesmo é assimilado, o que está de acordo com a
afirmativa de que a maior atividade da nitrato redutase ocorre sob condições de maior
disponibilidade de nitrato. As plantas em geral, assimilam nitrato tanto pelas raízes como
pelas folhas; no entanto, em algumas espécies essa assimilação pode ser restrita às partes
aérea como é o caso de Xanthium strumarium (cardo), ou ao sistema radicular, caso de
Lupinus albus (tremoço). Muitas espécies subtropicais e tropicais no entanto, assimilam
mais nitrato pelas raízes.
Assimilação do amônio
A principal via de conversão do amônio a aminoácidos essenciais às plantas envolve
as participações de duas enzimas, a glutamina sintase e a glutamato sintase, também
conhecida por GOGAT (glutamina 2-oxo-glutarato aminotransferase). Esta via também se
caracteriza por ser uma maneira das células vegetais de evitarem a toxicidade pelo amônio,
além do amônio proveniente da fotorespiração. Como foi dito anteriormente, essa
conversão depende de duas classes de enzimas GS, uma localizada no citosol e outra
localizada nos plastídeos (raízes) ou cloroplastos (folhas). As formas citosólicas operam em
sementes durante a germinação formando glutamina para o transporte intracelular,
enquanto a GS de raízes forma nitrogênio amida para o consumo local. Por outro lado, a GS
dos cloroplastos, reassimila o NH4+ proveniente da fotorespiração. Tanto a luz como os
níveis de carboidratos regulam a expressão dessas formas enzimáticas. O sistema GS é a
via preferencial para a incorporação do N-amoniacal em aminoácidos em plantas
superiores. A glutamato sintase (GOGAT) dependente de NADH localiza-se nos plastídeos
de tecidos não fotossintéticos (raízes), assimila o NH4+da rizosfera, enquanto a outra
GOGAT NADH do feixe vascular assimila a glutamina translocada das raízes e de folhas
velhas. A GOGAT cloroplastídica dependente de ferredoxina reduzida converte o NH4+
oriundo da fotorespiração em aminoácidos (figura 4.4).
O amônio também pode ser assimilado por uma via alternativa através da glutamato
desidrogenase (GDH) dependente de NADH mitocôndrial ou dependente de NADPH
cloroplastídico (figura 4.4). Esta via, de forma alguma substitui a GS-GOGAT, sendo a
principal função da GDH, desaminar o glutamato e reduzir os altos níveis de NH 4+ nos
tecidos.
O papel da aminotransferases
O nitrogênio uma vez assimilado em glutamina e glutamato, ele poderá ser
incorporado em outros aminoácidos por meio de reações catalizadas por aminotransferases,
enzimas essas encontradas no citoplasma, mitocôndrias, cloroplastídeos, glioxissomos e
peroxissomos. Essas aminotransferases presentes nos cloroplastos desempenham
importante função na biossíntese de aminoácidos como glutamato, aspartato, serina, alanina
e glicina. Um exemplo é a conversão de glutamato em aspartato, de acordo com a reação
que segue:
Glutamato + Ácido oxalacético (Oxalacetato)
Aspartato + 2-oxoglutarato
Aspartato aminotransferase
(Asp-AT)
Essa reação ocorre através da transferência do grupo amino do glutamato para o átomo
carboxil do aspartato (figura 4.4).
Figura 4.4: Rota de síntese de um aminoácido a partir do amônio (Fonte: Taiz, L. e Zeiger,
E. 2004. Plant Physiology; 3. ed.,trad. Santarém, E.R. et al.)
O papel da asparagina e glutamina no metabolismo do C e N
Altos níveis de luz e carboidratos são condições que favorescem a GS e a GOGAT
dependente de ferredoxina (fd); todavia, inibem a expressão gênica e a atividade da
asparagina sintetase (AS). Essa regulação antagônica dessas rotas competitivas auxilia de
maneira efetiva o balanço metabólico do carbono e do nitrogênio nas plantas. Nas
condições citadas anteriormente, são favorescidas a assimilação do N em glutamina e
glutamato, substâncias ricas em carbono e úteis na biossíntese de outras biomoléculas. A
situação é antagônica sob baixas intensidades de radiação e baixos níveis de carboidratos.
Deve ser enfatizado que a AS encontra-se presente no citosol das células foliares,
radiculares e nos nódulos associados à fixação de nitrogênio. A asparagina formada
favoresce o transporte de N a longa distância, além de ser um composto rico neste elemento
e ainda, de grande estabilidade.
Literatura Complementar e Recomendada
Taiz, L. e Zeiger, E. Fisiologia Vegetal. Versão traduzida por Santarém, E.R. et al., 3.ed.,
Porto Alegre, Artmed, 2004, 799p.
Bloom, A . J. Nitrogen as limiting factor: Crop acquisition of ammonium and nitrate.
In: Ecology in Agriculture, L.E. Jackson, ed., Academic Press, San Diego, CA, 1997,
pp.145-172.
Bloom, A . J. et al. Nitrogen assimilation and growth of wheat under elevated carbon
dioxide. Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 2002, 99: 1730-1735.