31.3: Adaptações nutricionais de plantas

Habilidades para desenvolver

• Entenda as adaptações nutricionais das plantas
• Descreva micorrizas
• Explique a fixação de nitrogênio

As plantas obtêm alimentos de duas maneiras diferentes. As plantas autotróficas podem produzir seus próprios alimentos a partir de matérias-primas inorgânicas, como dióxido de carbono e água, por meio da fotossíntese na presença da luz solar. As plantas verdes estão incluídas neste grupo. Algumas plantas, no entanto, são heterotróficas: são totalmente parasitárias e carentes de clorofila. Essas plantas, chamadas de 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 específicas 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 nas leguminosas e a micorrização podem ser consideradas entre as adaptações nutricionais das plantas. No entanto, esses não são os únicos tipos de adaptações que podemos encontrar; muitas plantas têm outras adaptações que lhes permitem prosperar sob condições específicas.

Fixação de nitrogênio: interações entre raízes e bactérias

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

\[\ce { N2 + 16 ATP + 8 e^{-} + 8 H^{+} \rightarrow 2 NH3 + 16 ADP + 16 P_i + H_2} \nonumber\]

A fonte mais importante de BNF é a interação simbiótica entre bactérias do solo e leguminosas, incluindo muitas culturas importantes para os humanos (Figura\(\PageIndex{1}\)). O NH ₃ resultante da fixação pode ser transportado para o tecido vegetal e incorporado aos aminoácidos, que são então transformados em proteínas vegetais. Algumas sementes de leguminosas, como soja e amendoim, contêm altos níveis de proteína e estão entre as fontes agrícolas de proteína mais importantes do mundo.

 

Figura\(\PageIndex{1}\): Algumas leguminosas comestíveis comuns, como (a) amendoim, (b) feijão e (c) grão-de-bico, são capazes de interagir simbioticamente com as bactérias do solo que fixam o nitrogênio. (crédito a: modificação do trabalho de Jules Clancy; crédito b: modificação do trabalho pelo USDA)

Exercício\(\PageIndex{1}\)

Os agricultores costumam alternar o milho (uma safra de cereais) e a soja (uma leguminosa) plantando um campo com cada safra em épocas alternadas. Que vantagem essa rotação de culturas pode conferir?

Resposta

A soja é capaz de fixar nitrogênio em suas raízes, que não são colhidas no final da estação de crescimento. O nitrogênio subterrâneo pode ser usado na próxima safra pelo milho.

Os agricultores geralmente alternam o milho (uma safra de cereais) e a soja (uma leguminosa), plantando um campo com cada safra em épocas alternadas. Que vantagem essa rotação de culturas pode conferir?

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. Esse processo envolve a redução do nitrogênio atmosférico em amônia, por meio da enzima nitrogenase. Portanto, o uso de rizóbios é uma forma natural e ecológica de fertilizar plantas, em oposição à fertilização química que usa um recurso não renovável, como o gás natural. Por meio 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, os dois 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\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): As raízes da soja contêm (a) nódulos fixadores de nitrogênio. As células dentro dos nódulos estão infectadas com Bradyrhyzobium japonicum, um rizóbio ou bactéria “amante das raízes”. As bactérias estão envoltas em (b) vesículas dentro da célula, como pode ser visto nesta micrografia eletrônica de transmissão. (crédito a: modificação do trabalho pelo USDA; crédito b: modificação do trabalho de Louisa Howard, Dartmouth Electron Microscope Facility; dados da barra de escala de Matt Russell)

Micorrizas: a relação simbiótica entre fungos e raízes

Uma zona de depleção de nutrientes pode se desenvolver quando há rápida absorção da solução do solo, baixa concentração de nutrientes, baixa taxa de difusão ou 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 as raízes das plantas, nas quais os fungos são realmente integrados à estrutura física da raiz. Os fungos colonizam o tecido radicular vivo durante o crescimento ativo da planta.

Por meio 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\(\PageIndex{3}\)). As micorrizas ajudam a aumentar a área superficial do sistema radicular da planta porque as hifas, que são estreitas, podem se espalhar para 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 na 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.

Figura\(\PageIndex{3}\): 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., BMC Bioinformatics 2005)

Existem dois tipos de micorrizas: ectomicorrizas e endomicorrizas. As 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. Esse tipo de micorriza é encontrado em árvores florestais, especialmente coníferas, bétulas e carvalhos. As endomicorrizas, também chamadas de micorrizas arbusculares, não formam uma bainha densa sobre a raiz. Em vez disso, o micélio fúngico é incorporado no tecido radicular. As endomicorrizas são encontradas nas raízes de mais de 80% das plantas terrestres.

Nutrientes de outras fontes

Algumas plantas não conseguem produzir seus próprios alimentos e precisam obter sua nutrição de fontes externas. Isso pode ocorrer com plantas parasitárias ou saprófitas. Algumas plantas são simbiontes mutualistas, epífitas ou insetívoras.

Parasitas vegetais

Uma planta parasita depende de seu hospedeiro para sobreviver. Algumas plantas parasitas não têm folhas. Um exemplo disso é o dodder (Figura\(\PageIndex{4}\)), que tem uma haste cilíndrica fraca que se enrola ao redor do hospedeiro e forma ventosas. A partir desses sugadores, as células invadem o caule hospedeiro e crescem para se conectar com os feixes vasculares do hospedeiro. A planta parasita obtém água e nutrientes por meio dessas conexões. A planta é um parasita total (um holoparasita) porque é totalmente dependente de seu hospedeiro. Outras plantas parasitas (hemiparasitas) são totalmente fotossintéticas e só usam o hospedeiro para água e minerais. Existem cerca de 4.100 espécies de plantas parasitas.

Figura\(\PageIndex{4}\): O dodder é um holoparasita que penetra no tecido vascular do hospedeiro e desvia nutrientes para seu próprio crescimento. Note que as videiras do dodder, que tem flores brancas, são bege. O dodder não tem clorofila e não pode produzir seu próprio alimento. (crédito: “Lalithamba” /Flickr)

Saprófitas

Uma saprófita é uma planta que não tem clorofila e se alimenta de matéria morta, semelhante a bactérias e fungos (observe que os fungos costumam ser chamados de saprófitas, o que é incorreto, porque os fungos não são plantas). Plantas como essas usam enzimas para converter alimentos orgânicos em formas mais simples, das quais podem absorver nutrientes (Figura\(\PageIndex{5}\)). A maioria dos saprófitas não digere diretamente a matéria morta: em vez disso, eles parasitam fungos que digerem a matéria morta ou são micorrízicos, obtendo finalmente o fotossintato de um fungo que derivou o fotossintato de seu hospedeiro. As plantas saprófitas são incomuns; apenas algumas espécies são descritas.

Figura\(\PageIndex{5}\): Saprófitas, como esse cachimbo holandês (Monotropa hypopitys), obtêm seu alimento da matéria morta e não têm clorofila. (crédito: modificação da obra de Iwona Erskine-Kellie)

Simbiontes

Um simbionte é uma planta em uma relação simbiótica, com adaptações especiais, como micorrizas ou formação de nódulos. Os fungos também formam associações simbióticas com cianobactérias e algas verdes (chamadas líquenes). Às vezes, os líquenes podem ser vistos como crescimentos coloridos na superfície de rochas e árvores (Figura\(\PageIndex{6}\)). O parceiro algal (ficobionte) produz alimentos de forma autotrofica, parte da qual compartilha com o fungo; o parceiro fúngico (micobionte) absorve água e minerais do meio ambiente, que são disponibilizados para a alga verde. Se um parceiro fosse separado do outro, os dois morreriam.

Figura\(\PageIndex{6}\): Os líquenes, que geralmente têm relações simbióticas com outras plantas, às vezes podem ser encontrados crescendo em árvores. (crédito: “benketaro” /Flickr)

Epífitas

Uma epífita é uma planta que cresce em outras plantas, mas não depende da outra planta para nutrição (Figura\(\PageIndex{7}\)). As epífitas têm dois tipos de raízes: raízes aéreas aderentes, que absorvem nutrientes do húmus que se acumulam nas fendas das árvores; e raízes aéreas, que absorvem a umidade da atmosfera.

Figura\(\PageIndex{7}\): Essas plantas epífitas crescem na estufa principal do Jardin des Plantes, em Paris.

Plantas insetívoras

Uma planta insetívora tem folhas especializadas para atrair e digerir insetos. A armadilha da mosca de Vênus é popularmente conhecida por seu modo insetívoro de nutrição e tem folhas que funcionam como armadilhas (Figura\(\PageIndex{8}\)). Os minerais que obtém das presas compensam os que carecem no solo pantanoso (baixo pH) de suas planícies costeiras nativas da Carolina do Norte. Há três pêlos sensíveis no centro de cada metade de cada folha. As bordas de cada folha são cobertas por longos espinhos. O néctar secretado pela planta atrai moscas para a folha. Quando uma mosca toca os pelos sensoriais, a folha se fecha imediatamente. Em seguida, fluidos e enzimas decompõem a presa e os minerais são absorvidos pela folha. Como essa planta é popular no comércio de horticultura, ela está ameaçada em seu habitat original.

Figura\(\PageIndex{8}\): Uma armadilha de Vênus tem folhas especializadas para capturar insetos. (crédito: “Selena N. B. H.” /Flickr)

Resumo

O nitrogênio atmosférico é o maior reservatório de nitrogênio disponível nos ecossistemas terrestres. No entanto, as plantas não podem usar esse nitrogênio porque não têm as enzimas necessárias. A fixação biológica de nitrogênio (BNF) é a conversão do nitrogênio atmosférico em amônia. A fonte mais importante de BNF é a interação simbiótica entre bactérias do solo e leguminosas. As bactérias formam nódulos nas raízes da leguminosa, nos quais ocorre a fixação do nitrogênio. Os fungos formam associações simbióticas (micorrizas) com as plantas, tornando-se integrados à estrutura física da raiz. Por meio da micorrização, a planta obtém minerais do solo e o fungo obtém o fotossintato da raiz da planta. As ectomicorrizas formam uma extensa bainha densa ao redor da raiz, enquanto as endomicorrizas estão embutidas no tecido radicular. Algumas plantas — parasitas, saprófitas, simbiontes, epífitas e insetivos—desenvolveram adaptações para obter sua nutrição orgânica ou mineral de várias fontes.

Glossário

epífita

planta que cresce em outras plantas, mas não depende de outras plantas para nutrição

planta insetívora

planta que tem folhas especializadas para atrair e digerir insetos

nitrogenase

enzima responsável pela redução do nitrogênio atmosférico em amônia

nódulos

estruturas especializadas que contêm bactérias Rhizobia onde ocorre a fixação de nitrogênio

planta parasitária

planta que depende de seu hospedeiro para sobreviver

rizóbia

bactérias do solo que interagem simbioticamente com as raízes das leguminosas para formar nódulos e fixar nitrogênio

saprófita

planta que não tem clorofila e obtém seu alimento da matéria morta

simbionte

planta em uma relação simbiótica com bactérias ou fungos