Aqu @teach: Anatomia vegetal, fisiologia e requisitos crescentes

3 de set. de 2020 · Aqu@teach

Anatomia vegetal

Anatomia vegetal descreve a estrutura e organização das células, tecidos e órgãos das plantas em relação ao seu desenvolvimento e função. As plantas floridas são compostas por três órgãos vegetativos: (i) raízes, que funcionam principalmente para fornecer ancoragem, água e nutrientes, e armazenar açúcares e amido; (ii) caules, que fornecem suporte; e (iii) folhas, que produzem substâncias orgânicas via fotossíntese. As raízes crescem em resposta à gravidade. Em geral, uma plântula produz uma raiz primária que cresce diretamente para baixo e dá origem a raízes laterais secundárias. Estes podem produzir raízes terciárias, que por sua vez podem ramificar, com o processo continuando quase indefinidamente. O crescimento ocorre na ponta da raiz ou no ápice, que é protegido por uma tampa de raiz. As raízes crescem e ramificam continuamente, em sua busca por minerais e água. A eficiência da raiz como órgão absorvente depende da sua área de superfície absorvente em relação ao seu volume, que é criado pelos pêlos radiculares e pelo complexo sistema de ramos.

A Figura 7 ilustra a anatomia básica de uma planta. O hipocótilo é a porção do caule que na sua base se liga com a raiz. Na outra extremidade do caule está o botão terminal, ou broto apical, que é o ponto de crescimento. O caule é normalmente dividido em nós e entrenós. Os nós mantêm uma ou mais folhas, que são anexadas ao caule por pecíolos, bem como botões que podem crescer em ramos com folhas ou flores. Os entrenós distanciam um nó de outro. O caule e seus ramos permitem que as folhas sejam dispostas para maximizar a exposição à luz solar, e as flores sejam organizadas para atrair melhor polinizadores. A ramificação surge da atividade dos botões apicais e axilares. A dominância apical ocorre quando o ápice do rebento inibe o crescimento de brotos laterais para que a planta possa crescer verticalmente. Os rebentos, que trazem as folhas, flores e frutos, crescem em direção a uma fonte de luz. As folhas contêm geralmente pigmentos e são os locais de fotossíntese (ver 4.3.2.1). As folhas também contêm estomatos, poros através dos quais a água sai e através dos quais ocorre a troca gasosa (dióxido de carbono dentro e oxigênio para fora).

Figura 7: A anatomia de uma planta

O Sistema de Atirar. 2. O Sistema Raiz. 3. Hipocotilo 4. Terminal Bud. 5. Lâmina de folha. 6. O Internode. 7. Bud axilar. 8. Nó. 9. Caule. 10. Peciolo. 11. Toque em Raiz. 12. Cabelos da raiz. 13. Ponta Raiz. 14. Tampa raiz https://en.wikipedia.org/wiki/Plant_anatomy#/media/File:Plant_Anatomy.svg

Fisiologia vegetal

A fisiologia vegetal é um tema vasto, abrangendo processos fundamentais como fotossíntese, respiração, nutrição vegetal, funções hormonais vegetais, tropismo, fotoperiodismo, fotomorfogênese, ritmos circadianos, fisiologia do estresse ambiental, germinação de sementes, dormência, função estomática e transpiração. Aqui vamos nos concentrar nos processos fisiológicos mais importantes e como eles são afetados por condições de crescimento.

Fotossíntese

Todas as plantas verdes geram seus próprios alimentos usando fotossíntese. A fotossíntese é o processo pelo qual as plantas são capazes de usar a luz para produzir energia e carboidratos através da fixação de CO₂:

$6 _2 + 6 _2→ 6 {12} _6 + 6 _2 $

Embora a fotossíntese ocorra em todas as partes verdes de uma planta, o local principal para este processo é a folha. Pequenas organelas chamadas cloroplastos contêm clorofila, um pigmento que usa energia da luz solar para criar moléculas de açúcar de alta energia, como a glicose. Uma vez criadas, as moléculas de açúcar são transportadas por toda a planta, onde são utilizadas para todos os processos fisiológicos, como crescimento, reprodução e metabolismo. A fotossíntese requer luz, dióxido de carbono e água.

Respiração

O processo de respiração em plantas envolve o uso dos açúcares produzidos durante a fotossíntese mais oxigênio para produzir energia para o crescimento das plantas:

$ _6- {12} _6 + 6 _2 → 6 _2 + 6 _2+ $

Enquanto a fotossíntese ocorre apenas nas folhas e caules, a respiração ocorre em todas as partes da planta. As plantas obtêm oxigênio do ar através dos estômatos e a respiração ocorre nas mitocôndrias da célula na presença de oxigênio. A respiração das plantas ocorre 24 horas por dia, mas a respiração noturna é mais evidente desde que o processo de fotossíntese cessa. Durante a noite, é muito importante que a temperatura seja mais fria do que durante o dia, pois isso reduz a taxa de respiração e, portanto, permite que as plantas acumulem glicose e sintetizem outras substâncias que são necessárias para o crescimento da planta. As altas temperaturas noturnas causam altas taxas de respiração, o que pode resultar em danos nas flores e crescimento fraco das plantas.

Osmose e plasmólise

A osmose é o processo pelo qual a água entra nas raízes da planta e se move para suas folhas (Figura 8). Na maioria dos solos, pequenas quantidades de sais são dissolvidas em grandes quantidades de água. Por outro lado, as células vegetais contêm quantidades menores de água em que sais, açúcares e outras substâncias estão concentrados. Durante a osmose, moléculas de água tentam igualar sua concentração em ambos os lados das membranas celulares. Assim, quando a água se move do solo, onde é mais abundante, “procura” diluir a solução nas células. A água que entra em uma célula é armazenada em um grande vacúolo central. Quando uma célula se torna turgid (totalmente inflada), a taxa de absorção de água é diminuída. O turgor celular dá firmeza aos tecidos cheios de água. A diferença entre folhas de alface nítidas e murchas ilustra a natureza das células turgid e não turgid (flácida). A maioria das espécies vegetais murcham em solos onde quantidades significativas de sais se acumularam, mesmo quando há água adequada. Tais solos salinos têm um teor de água menor do que as células radiculares, de modo que as raízes perdem água à medida que a direção do fluxo osmótico é revertida. Este processo é chamado de plasmólise. Uma célula começa a encolher sem água interna adequada. Após a perda prolongada de água, a célula começa a entrar em colapso sem qualquer água interna para suporte. O colapso celular completo raramente é reversível. Quando as células começam a entrar em colapso devido à perda de água, a planta geralmente está condenada porque suas células morrem.

Figura 8: Pressão de Turgor nas células vegetais < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Turgor_pressure_on_plant_cells_diagram.svg >

Transpiração

A transpiração é a perda de água de uma planta sob a forma de vapor de água. Esta água é substituída por absorção adicional de água através das raízes, levando a uma coluna contínua de água dentro da planta. O processo de transpiração fornece à planta resfriamento evaporativo, nutrientes, entrada de dióxido de carbono e água para fornecer estrutura da planta. Quando uma planta está transpirando, seus estômatos estão abertos, permitindo a troca gasosa entre a atmosfera e a folha. Estomatos abertos permitem que o vapor de água saia da folha, mas também permitem que o dióxido de carbono (CO₂), que é necessário para a fotossíntese, entre. A temperatura influencia grandemente a taxa de transpiração. À medida que a temperatura do ar aumenta, a capacidade de retenção de água desse ar aumenta acentuadamente. O ar mais quente irá, portanto, aumentar a força motriz para transpiração, enquanto o ar mais frio irá diminuí-la.

Fototropismo

O fototropismo é uma resposta direcional que permite que as plantas cresçam em direção, ou em alguns casos longe de, uma fonte de luz. O fototropismo positivo é o crescimento em direção a uma fonte de luz; o fototropismo negativo é o crescimento longe da luz. Os rebentos, ou partes acima do solo de plantas, geralmente exibem fototropismo positivo. Esta resposta ajuda as partes verdes da planta a se aproximarem de uma fonte de energia luminosa, que pode então ser usada para fotossíntese. As raízes, por outro lado, tenderão a crescer longe da luz. O fototropismo de controlo hormonal é auxina. Sua principal função é estimular o aumento do comprimento celular, especialmente perto das pontas do tronco e da raiz. Em hastes iluminadas de cima, as células sofrem taxas iguais de alongamento, resultando em crescimento vertical. Mas quando acesas de um lado, as hastes mudam de direção porque a auxina se acumula no lado sombreado, fazendo com que as células lá cresçam mais rápido do que aquelas em direção à luz. O fototropismo pode, portanto, fazer com que as plantas cresçam altas e finas à medida que se estendem e se dobram para encontrar uma fonte de luz adequada.

Fotoperiodismo

O fotoperiodismo é a regulação da fisiologia ou do desenvolvimento em resposta à duração do dia, o que permite que algumas espécies de plantas floresçam — mudar para o modo reprodutivo — apenas em determinadas épocas do ano. As plantas geralmente se enquadram em três categorias de fotoperíodo: plantas de dias longos, plantas de dias curtos e plantas neutras para o dia. O efeito do fotoperiodismo nas plantas não se limita a quando elas florescerão. Também pode afetar o crescimento de raízes e caules, e a perda de folhas (abscisão) durante diferentes estações do ano. Plantas de dias longos geralmente florescem durante os meses de verão, quando as noites são curtas. Exemplos de plantas de dias longos são couves, alfaces, cebolas e espinafre. Por outro lado, as plantas de dia curto florescem durante as estações que têm períodos de noite mais longos. Eles exigem uma quantidade contínua de escuridão antes que o desenvolvimento da flor possa começar. Morangos são plantas de dias curtos. A floração de algumas plantas, referidas como plantas neutras do dia, não está ligada a um fotoperíodo específico. Estes incluem pimentões, pepinos e tomates. Os produtores comerciais podem tirar proveito do conhecimento sobre o fotoperíodo de uma planta, manipulando-o para a floração antes que ele o fizesse naturalmente. Por exemplo, as plantas podem ser forçadas a florescer expondo ou restringindo seu acesso à luz, e podem então ser manipuladas para produzir frutas ou sementes fora de sua estação habitual (Rauscher 2017).

Requisitos crescentes

Os principais fatores ambientais que afetam o crescimento das plantas são: luz*, * água*, * dióxido de carbono, nutrientes (ver Capítulo 5), temperatura e umidade relativa. Estes afetam os hormônios de crescimento da planta, fazendo com que a planta cresça mais rapidamente ou mais devagar.

Luz

A transmissão de luz, com a quantidade e qualidade adequadas, é crucial para a fotossíntese, crescimento e rendimento ideais. O sol produz fótons com uma ampla gama de comprimentos de onda (Figura 9): UVC 100- 280 nanômetros (nm), UVB 280-315 nm, UVA 315-400 nm, radiação visível ou fotossinteticamente ativa (PAR) 400-700 nm, vermelho distante 700-800 nm e infravermelho 800-4000 nm. Dentro da faixa visível do espectro, as bandas de onda podem ser divididas em cores: azul 400-500 nm, verde 500-600 nm e vermelho 600-700 nm.

Figura 9: Espectro de absorção de clorofila https://www.flickr.com/photos/145301455@N07/29979758460

Existem dois tipos diferentes de clorofila — clorofila a e clorofila b. A clorofila a é o pigmento fotossintético mais comum e absorve comprimentos de onda azul, vermelho e violeta no espectro visível. Participa principalmente na fotossíntese oxigênica em que o oxigênio é o principal subproduto do processo. A clorofila b absorve principalmente a luz azul e é usada para complementar o espectro de absorção da clorofila a, ampliando a gama de comprimentos de onda leves que um organismo fotossintético é capaz de absorver. Ambos os tipos de clorofila funcionam em conjunto para permitir a máxima absorção de luz no espectro azul a vermelho.

As respostas à luz das plantas evoluíram para ajudar as plantas a se aclimatarem a uma grande variedade de condições de luz. Todas as plantas respondem de forma diferente às condições de luz alta e baixa, mas algumas espécies são adaptadas para funcionar de forma ideal sob pleno sol, enquanto outras preferem mais sombra. Na escuridão, as plantas respira e produzem CO₂. À medida que a intensidade da luz aumenta, a taxa fotossintética também aumenta, e com uma certa intensidade de luz (o ponto de compensação da luz), a taxa de respiração é igual à taxa de fotossíntese (sem absorção líquida ou perda de CO₂). Além da intensidade da luz, a cor da luz também influencia a taxa de fotossíntese. As plantas são capazes de usar comprimentos de onda entre 400 nm e 700 nm para fotossíntese. Esta faixa de onda é chamada de radiação fotossinteticamente ativa (PAR) (Davis 2015).

A quantidade de luz disponível para as plantas é altamente variável em todo o mundo e através das estações do ano. Por exemplo, em baixas elevações solares, a luz deve passar por um volume maior de atmosfera antes de atingir a superfície da Terra, o que causa mudanças no espectro, à medida que a atmosfera filtra proporcionalmente mais do menor comprimento de onda da luz, de modo que filtra mais UV do que azul, e mais azul do que verde ou vermelho. As alterações na composição espectral com a estação e a localização influenciam as respostas à luz das plantas (Davis 2015).

Água

A disponibilidade de muitos nutrientes depende do pH da água. Em geral, a faixa de tolerância para a maioria das plantas é de pH 5,5-7,5. Se o pH sair dessa faixa, as plantas experimentam bloqueio de nutrientes, o que significa que, embora os nutrientes estejam presentes na água, as plantas não podem usá-los. Isto é especialmente verdadeiro para ferro, cálcio e magnésio. No entanto, há evidências de que o bloqueio de nutrientes é menos comum em sistemas aquapônicos maduros do que em hidroponia, porque a aquapônica é um ecossistema inteiro, enquanto a hidropônica é uma empresa semi-estéril. Consequentemente, em sistemas aquapônicos existem interações biológicas que ocorrem entre as raízes das plantas, bactérias e fungos que podem permitir a absorção de nutrientes mesmo em níveis mais elevados do que o pH 7,5. No entanto, o melhor curso de ação é tentar manter um pH ligeiramente ácido (6—7), mas entender que pH mais alto (7—8) também pode funcionar (Somerville et al. 2014c).

A maioria das plantas precisa de níveis elevados (> 3mg/L) de oxigênio dissolvido (OD) dentro da água. Este oxigênio torna mais fácil para a planta transportar nutrientes através de suas superfícies radiculares e internalizá-los. Sem ele, as plantas podem experimentar podridão radicular, onde as raízes morrem e o fungo cresce. Além disso, muitos patógenos radiculares operam em baixos níveis de oxigênio dissolvido, portanto, se a água estiver baixa em oxigênio, pode dar a esses patógenos a chance de atacar as raízes (Pantanella 2012).

A faixa ideal de temperatura da água para a maioria dos vegetais é de 14 a 22° C, embora as temperaturas de crescimento ideais variem entre diferentes espécies de plantas (ver Capítulo 7). Geralmente, é a temperatura da água que tem o maior efeito sobre as plantas, em vez da temperatura do ar. As bactérias e outros microrganismos que habitam sistemas aquapônicos também têm uma faixa de temperatura preferida. Por exemplo, as bactérias de nitrificação que convertem amônia em nitrato preferem uma temperatura média de aproximadamente 20° C (Pantanella 2012; Somerville et al. 2014c).

Dióxido de carbono (CO₂)

Durante a fotossíntese, as plantas usam CO₂ para produzir alimentos e liberam oxigênio como resultado. O aumento das concentrações de CO₂ aumenta a fotossíntese, estimulando o crescimento da planta. O ar fresco contém CO₂ em cerca de 0,037%, mas em uma estufa ou área de crescimento bem fechada, o ambiente CO₂ pode ser usado rapidamente. Por exemplo, em uma estufa de plástico, os níveis de CO₂ podem ser reduzidos para menos de 0,02% apenas 1-2 horas após o nascer do sol. Em níveis abaixo de 0,02%, o crescimento da planta será muito limitado, e em níveis abaixo de 0,01%, as plantas deixarão de crescer completamente. Ao aumentar os níveis de CO₂ para 0,075 -0,15%, os produtores podem esperar um aumento de 30 -50% nos rendimentos em relação aos níveis de CO₂ ambiente, e o tempo para frutificação e floração pode ser reduzido em 7-10 dias. No entanto, níveis excessivos de enriquecimento de CO₂ podem ter efeitos adversos. Níveis acima de 0,15% são considerados desperdícios, enquanto níveis acima de 0,5% são prejudiciais. Níveis excessivos farão com que os estômatos nas folhas das plantas fechem, interrompendo temporariamente a fotossíntese, e como as plantas não conseguem mais transpirar adequadamente o vapor de água quando os estômatos estão fechados, as folhas podem ficar queimadas.

Temperatura

A temperatura é o principal fator ambiental que influencia os processos de crescimento vegetativo nas plantas desde os estágios iniciais de desenvolvimento até a formação da flor. Cada espécie de planta tem sua própria faixa de temperatura ideal. As plantas ‘procuram’ atingir a sua temperatura ideal, e um equilíbrio entre a temperatura do ar, a umidade relativa e a luz é importante nisso. Se os níveis de luz forem altos, a planta aquecerá, resultando em uma diferença entre a temperatura da planta e a temperatura do ar. Para esfriar, a taxa de transpiração da planta deve aumentar. Temperaturas muito baixas ou altas no ambiente de crescimento podem ser prejudiciais a vários processos metabólicos, como absorção de nutrientes, formação de clorofila e fotossíntese. Geralmente, um aumento ou diminuição da temperatura acima ou abaixo do nível ideal é conhecido por alterar vários processos fisiológicos nas plantas e danificar as células vegetais, alterando assim o crescimento.

Umidade relativa

Umidade relativa (HR) é a quantidade de vapor de água presente no ar expressa em percentagem da quantidade necessária para saturação à mesma temperatura. A umidade relativa influencia diretamente as relações hídricas de uma planta e afeta indiretamente o crescimento das folhas, a fotossíntese e a ocorrência de doenças. Sob alta RH, a taxa de transpiração é reduzida, a pressão do turgor é alta e as células vegetais crescem. Quando a HR é baixa, a transpiração aumenta, causando déficits hídricos na planta, o que pode resultar em murcha da planta. Os déficits hídricos causam fechamento parcial ou total dos estômatos, bloqueando assim a entrada de dióxido de carbono e inibindo a fotossíntese. A incidência de pragas e doenças de insetos é alta sob condições de alta umidade, e alta HR também favorece a fácil germinação de esporos de fungos nas folhas das plantas.

*Copyright © Parceiros do Projeto Aqu @teach. Aqu @teach é uma Parceria Estratégica Erasmus+ no Ensino Superior (2017-2020) liderada pela Universidade de Greenwich, em colaboração com a Universidade de Zurique de Ciências Aplicadas (Suíça), a Universidade Técnica de Madrid (Espanha), a Universidade de Liubliana e o Centro Biotécnico Naklo (Eslovénia) . *