discuta as necessidades nutricionais comuns das plantas

as plantas obtêm alimentos de duas maneiras diferentes. As plantas autotróficas podem fazer seus próprios alimentos a partir de matérias-primas inorgânicas, como dióxido de carbono e água, através da fotossíntese na presença de luz solar. Plantas verdes estão incluídas neste grupo. Algumas plantas, no entanto, são heterotróficas: são totalmente parasitárias e carentes de clorofila. Essas plantas, conhecidas como plantas Holo-parasitárias, são incapazes de sintetizar carbono orgânico e extrair todos os seus nutrientes da planta hospedeira.

as plantas também podem contar com a ajuda de parceiros microbianos na aquisição de nutrientes. Espécies particulares de bactérias e fungos evoluíram junto com certas plantas para criar uma relação simbiótica mutualística com as raízes. Isso melhora a nutrição da planta e do micróbio. A formação de nódulos em plantas leguminosas e micorrhização pode ser considerada entre as adaptações nutricionais das plantas. No entanto, estes não são o único tipo de adaptações que podemos encontrar; muitas plantas têm outras adaptações que lhes permitem prosperar em condições específicas.

Exigências Nutricionais

Plantas são únicos organismos que podem absorver nutrientes e água, através de seu sistema radicular, assim como o dióxido de carbono da atmosfera. A qualidade do solo e o clima são os principais determinantes da distribuição e crescimento das plantas. A combinação de nutrientes do solo, água e dióxido de carbono, juntamente com a luz solar, permite que as plantas cresçam.

a composição química das plantas

Figura 1. A água é absorvida pelos pêlos da raiz e sobe o xilema até as folhas.

como as plantas requerem nutrientes na forma de elementos como carbono e potássio, é importante entender a composição química das plantas. A maior parte do volume em uma célula vegetal é água; normalmente compreende 80 a 90 por cento do peso total da planta. O solo é a fonte de água para as plantas terrestres e pode ser uma fonte abundante de água, mesmo que pareça seca. As raízes das plantas absorvem a água do solo através dos pelos das raízes e a transportam até as folhas através do xilema. À medida que o vapor de água é perdido das folhas, o processo de transpiração e a polaridade das moléculas de água (o que lhes permite formar ligações de hidrogênio) extrai mais água das raízes através da planta para as folhas (Figura 1). As plantas precisam de água para apoiar a estrutura celular, para funções metabólicas, para transportar nutrientes e para a fotossíntese.As células vegetais precisam de substâncias essenciais, chamadas coletivamente de nutrientes, para sustentar a vida. Os nutrientes das plantas podem ser compostos de compostos orgânicos ou inorgânicos. Um composto orgânico é um composto químico que contém carbono, como o dióxido de carbono obtido da atmosfera. O carbono obtido a partir do CO2 atmosférico compõe a maior parte da massa seca na maioria das plantas. Um composto inorgânico não contém carbono e não faz parte ou é produzido por um organismo vivo. As substâncias inorgânicas, que formam a maior parte da solução do solo, são comumente chamadas de minerais: as exigidas pelas plantas incluem nitrogênio (N) e potássio (K) para estrutura e regulação.

nutrientes essenciais

as plantas requerem apenas Luz, Água e cerca de 20 elementos para suportar todas as suas necessidades bioquímicas: esses 20 elementos são chamados de nutrientes essenciais (Tabela 1). Para que um elemento seja considerado essencial, são necessários três critérios: 1) uma planta não pode completar seu ciclo de vida sem o elemento; 2) nenhum outro elemento pode desempenhar a função do elemento; e 3) o elemento está diretamente envolvido na nutrição das plantas.

Macronutrientes e Micronutrientes

Os elementos essenciais podem ser divididos em dois grupos: macronutrientes e micronutrientes. Os nutrientes que as plantas requerem em quantidades maiores são chamados de macronutrientes. Cerca de metade dos elementos essenciais são considerados macronutrientes: carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, fósforo, potássio, cálcio, magnésio e enxofre. O primeiro desses macronutrientes, carbono (C), é necessário para formar carboidratos, proteínas, ácidos nucléicos e muitos outros compostos; portanto, está presente em todas as macromoléculas. Em média, o peso seco (excluindo a água) de uma célula é de 50% de carbono. Como mostrado na Figura 2, O carbono é uma parte fundamental das biomoléculas vegetais.

Figura 2. A celulose, o principal componente estrutural da parede celular da planta, representa mais de trinta por cento da matéria vegetal. É o composto orgânico mais abundante da terra.

o próximo elemento mais abundante nas células vegetais é o nitrogênio (n); faz parte de proteínas e ácidos nucléicos. O nitrogênio também é usado na síntese de algumas vitaminas. Hidrogênio e oxigênio são macronutrientes que fazem parte de muitos compostos orgânicos e também formam água. O oxigênio é necessário para a respiração celular; as plantas usam oxigênio para armazenar energia na forma de ATP. O fósforo (P), outra macromolécula, é necessário para sintetizar ácidos nucleicos e fosfolipídios. Como parte do ATP, o fósforo permite que a energia alimentar seja convertida em energia química por meio da fosforilação oxidativa. Da mesma forma, a energia da luz é convertida em energia química durante a fotofosforilação na fotossíntese e em energia química a ser extraída durante a respiração. O enxofre faz parte de certos aminoácidos, como cisteína e metionina, e está presente em várias coenzimas. O enxofre também desempenha um papel na fotossíntese como parte da cadeia de transporte de elétrons, onde os gradientes de hidrogênio desempenham um papel fundamental na conversão da energia da luz em ATP. O potássio (K) é importante devido ao seu papel na regulação da abertura e fechamento estomático. Como as aberturas para troca de gás, os estômatos ajudam a manter um equilíbrio saudável da água; uma bomba de íons de potássio suporta esse processo.

magnésio (Mg) e cálcio (Ca) também são macronutrientes importantes. O papel do cálcio é duplo: regular o transporte de nutrientes e apoiar muitas funções enzimáticas. O magnésio é importante para o processo fotossintético. Esses minerais, juntamente com os micronutrientes, descritos abaixo, também contribuem para o equilíbrio iônico da planta.

além dos macronutrientes, os organismos requerem vários elementos em pequenas quantidades. Esses micronutrientes, ou oligoelementos, estão presentes em quantidades muito pequenas. Eles incluem boro (B), cloro (Cl), manganês (Mn), ferro (Fe), Zinco (Zn), cobre (Cu), molibdênio (Mo), níquel (Ni), silício (Si) e sódio (Na).

Figura 3. A deficiência de nutrientes é evidente nos sintomas que essas plantas apresentam. Este (a) Tomate De Uva sofre de podridão final de flor causada por deficiência de cálcio. O amarelecimento neste (b) Frangula alnus resulta da deficiência de magnésio. O magnésio inadequado também leva a (c) clorose intervenal, vista aqui em uma folha de sweetgum. Esta (d) palma é afetada pela deficiência de potássio. (crédito c: modificação do trabalho por Jim Conrad; crédito d: modificação do trabalho por Malcolm Manners)

deficiências em qualquer um desses nutrientes-particularmente os macronutrientes-podem afetar adversamente o crescimento das plantas (Figura 3). Dependendo do nutriente específico, a falta pode causar crescimento atrofiado, crescimento lento ou clorose (amarelecimento das folhas). Deficiências extremas podem resultar em folhas mostrando sinais de morte celular.

plantas autotróficas

fixação de nitrogênio: interações de raízes e bactérias

o nitrogênio é um macronutriente importante porque faz parte de ácidos nucléicos e proteínas. O nitrogênio atmosférico, que é a molécula diatômica n2, ou dinitrógeno, é o maior pool de nitrogênio nos ecossistemas terrestres. No entanto, as plantas não podem aproveitar esse nitrogênio porque não possuem as enzimas necessárias para convertê-lo em formas biologicamente úteis. No entanto, o nitrogênio pode ser “fixo”, o que significa que pode ser convertido em amônia (NH3) por meio de processos biológicos, físicos ou químicos. Como você aprendeu, a fixação biológica de nitrogênio (BNF) é a conversão de nitrogênio atmosférico (N2) em amônia (NH3), realizada exclusivamente por procariontes, como bactérias do solo ou cianobactérias. Os processos biológicos contribuem com 65% do nitrogênio usado na agricultura. A seguinte equação representa o processo:

\text{N}_2+16\text{ ATP}+8\text{e}^{-}+8\text{H}^{+}\longrightarrow2\text{NH}_{3}+16\text{ ADP}+16\text{Pi}+\text{H}_2

A mais importante fonte de FBN é a interação simbiótica entre as bactérias do solo e de plantas leguminosas, incluindo várias culturas importantes para os seres humanos (Figura 4). O NH3 resultante da fixação pode ser transportado para o tecido vegetal e incorporado em aminoácidos, que são então transformados em proteínas vegetais. Algumas sementes de leguminosas, como soja e amendoim, contêm altos níveis de proteína e servem entre as fontes agrícolas mais importantes de proteína do mundo.

Figura 4. Algumas leguminosas comestíveis comuns – como (a) amendoim, (B) feijão e (c) grão—de-bico-são capazes de interagir simbioticamente com bactérias do solo que fixam nitrogênio. (crédito a: modificação do trabalho de Jules Clancy; crédito b: modificação do trabalho pelo USDA)

as bactérias do solo, chamadas coletivamente de rizóbios, interagem simbioticamente com as raízes das leguminosas para formar estruturas especializadas chamadas nódulos, nas quais ocorre a fixação do nitrogênio. Este processo implica a redução do nitrogênio atmosférico para amônia, por meio da enzima nitrogenase. Portanto, o uso de rizóbios é uma maneira natural e ecológica de fertilizar plantas, em oposição à fertilização química que utiliza um recurso não renovável, como o gás natural. Através da fixação simbiótica de nitrogênio, a planta se beneficia do uso de uma fonte infinita de nitrogênio da atmosfera. O processo contribui simultaneamente para a fertilidade do solo porque o sistema radicular da planta deixa para trás parte do nitrogênio biologicamente disponível. Como em qualquer simbiose, ambos os organismos se beneficiam da interação: a planta obtém amônia e as bactérias obtêm compostos de carbono gerados pela fotossíntese, bem como um nicho protegido para crescer (Figura 5).

Figura 5. As raízes de soja contêm (a) nódulos fixadores de nitrogênio. As células dentro dos nódulos estão infectadas com Bradyrhyzobium japonicum, um Rizóbio ou bactéria “amante da raiz”. As bactérias estão envoltas em (b) vesículas dentro da célula, como pode ser visto nesta micrografia eletrônica de transmissão. (crédito: modificação da obra pelo USDA; crédito b: modificação de trabalho por Louisa Howard, Dartmouth Microscópio eletrônico de Instalação; escala-barra de dados a partir de Matt Russell)

Micorrizas: A Relação Simbiótica entre Fungos e as Raízes

Uma zona de depleção de nutrientes podem se desenvolver quando há rápida solução do solo absorção, baixa concentração de nutrientes, baixa taxa de difusão, ou de baixa umidade do solo. Essas condições são muito comuns; portanto, a maioria das plantas depende de fungos para facilitar a absorção de minerais do solo. Os fungos formam associações simbióticas chamadas micorrizas com raízes de plantas, nas quais os fungos realmente estão integrados à estrutura física da raiz. Os fungos colonizam o tecido radicular vivo durante o crescimento ativo da planta.

Figura 6. As pontas das raízes proliferam na presença de infecção micorrízica, que aparece como penugem esbranquiçada nesta imagem. (crédito: modificação do trabalho de Nilsson et al., Bioinformática BMC 2005)

através da micorrização, a planta obtém principalmente fosfato e outros minerais, como zinco e cobre, do solo. O fungo obtém nutrientes, como açúcares, da raiz da planta (Figura 6). As micorrizas ajudam a aumentar a área de superfície do sistema radicular da planta porque as hifas, que são estreitas, podem se espalhar além da zona de depleção de nutrientes. As Hifas podem crescer em pequenos poros do solo que permitem o acesso ao fósforo que, de outra forma, não estaria disponível para a planta. O efeito benéfico sobre a planta é melhor observado em solos pobres. O benefício para os fungos é que eles podem obter até 20% do carbono total acessado pelas plantas. As micorrizas funcionam como uma barreira física aos patógenos. Também fornece uma indução de mecanismos generalizados de defesa do hospedeiro e, às vezes, envolve a produção de compostos antibióticos pelos fungos.

existem dois tipos de micorrizas: ectomicorrizas e endomicorrizas. Ectomicorrizas formam uma extensa bainha densa ao redor das raízes, chamada manto. As hifas dos fungos se estendem do manto para o solo, o que aumenta a área superficial para absorção de água e minerais. Este tipo de micorrizas é encontrado em árvores florestais, especialmente coníferas, bétulas e carvalhos. Endomicorrizas, também chamadas de micorrizas arbusculares, não formam uma bainha densa sobre a raiz. Em vez disso, o micélio fúngico está embutido no tecido radicular. Endomicorrizas são encontradas nas raízes de mais de 80% das plantas terrestres.

plantas heterotróficas

algumas plantas não podem produzir seus próprios alimentos e devem obter sua nutrição de fontes externas—essas plantas são heterotróficas. Isso pode ocorrer com plantas parasitárias ou saprofíticas. Algumas plantas são simbiontes mutualistas, epífitas ou insetívoros.

parasitas de plantas

uma planta parasitária depende do seu hospedeiro para a sobrevivência. Algumas plantas parasitas não têm folhas. Um exemplo disso é o dodder( figura 7a), que tem uma haste cilíndrica fraca que se enrola ao redor do hospedeiro e forma ventosas. A partir desses otários, as células invadem o caule do hospedeiro e crescem para se conectar com os feixes vasculares do hospedeiro. A planta parasitária obtém água e nutrientes por meio dessas conexões. A planta é um parasita total (um holoparasita) porque é completamente dependente de seu hospedeiro. Outras plantas parasitas (hemiparasitas) são totalmente fotossintéticas e usam apenas o hospedeiro para água e minerais. Existem cerca de 4.100 espécies de plantas parasitas.

saprófitas

uma saprófita é uma planta que não possui clorofila e obtém seu alimento da matéria morta, semelhante a bactérias e fungos (observe que os fungos são freqüentemente chamados de saprófitas, o que é incorreto, porque os fungos não são plantas). Plantas como essas usam enzimas para converter materiais alimentares orgânicos em formas mais simples a partir das quais podem absorver nutrientes (figura 7b). A maioria das saprófitas não digere diretamente a matéria morta: em vez disso, parasitam fungos que digerem a matéria morta ou são micorrízicos, obtendo, em última análise, o fotossintato de um fungo que derivou o fotossintato de seu hospedeiro. Plantas saprofíticas são incomuns; apenas algumas espécies são descritas.

Figura 7. (a) o dodder é um holoparasito que penetra no tecido vascular do hospedeiro e desvia nutrientes para seu próprio crescimento. Observe que as videiras do dodder, que tem flores brancas, são bege. O dodder não tem clorofila e não pode produzir seu próprio alimento. (b) saprófitas, como este tubo de holandeses (Monotropa hypopitys), obtêm seus alimentos da matéria morta e não têm clorofila. (um crédito:”Lalithamba” /Flickr; B crédito: modificação do trabalho por Iwona Erskine-Kellie)

simbiontes

um simbionte é uma planta em uma relação simbiótica, com adaptações especiais, como micorrizas ou formação de nódulo. Os fungos também formam associações simbióticas com cianobactérias e algas verdes (chamadas líquenes). Os líquenes às vezes podem ser vistos como crescimentos coloridos na superfície de rochas e árvores (figura 8a). O parceiro de algas (ficobionte) produz alimentos autotróficos, alguns dos quais compartilham com o fungo; o parceiro fúngico (mycobiont) absorve água e minerais do meio ambiente, que são disponibilizados para a alga verde. Se um parceiro fosse separado do outro, ambos morreriam.

epífitas

uma epífita é uma planta que cresce em outras plantas, mas não depende da outra planta para nutrição (figura 8b). As epífitas têm dois tipos de raízes: raízes aéreas aderentes, que absorvem nutrientes do húmus que se acumula nas fendas das árvores; e raízes aéreas, que absorvem a umidade da atmosfera.

Figura 8. (a) líquenes, que muitas vezes têm relações simbióticas com outras plantas, às vezes podem ser encontrados crescendo em árvores. (b) estas plantas epífitas crescem na estufa principal do Jardin des Plantes em Paris. (crédito: um “benketaro”/Flickr)

Plantas Insetívoras

Figura 9. Uma Armadilha de Vênus tem folhas especializadas para prender insetos. (crédito: “Selena N. B. H.” / Flickr)

uma Planta Insetívora possui folhas especializadas para atrair e digerir insetos. A armadilha de Vênus é popularmente conhecida por seu modo insetívoro de nutrição e tem folhas que funcionam como armadilhas (Figura 9).

os minerais que obtém das presas compensam os que faltam no solo pantanoso (baixo pH) de suas planícies costeiras nativas da Carolina do Norte. Existem três cabelos sensíveis no centro de cada metade de cada folha. As bordas de cada folha são cobertas com espinhos longos. O néctar secretado pela planta atrai moscas para a folha. Quando uma mosca toca os cabelos sensoriais, a folha fecha imediatamente. Em seguida, fluidos e enzimas quebram a presa e os minerais são absorvidos pela folha. Como esta planta é popular no comércio hortícola, está ameaçada em seu habitat original.

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