SciELO - Brazil - Plântulas de soja 'Tracajá' expostas ao ozônio sob condições controladas Plântulas de soja 'Tracajá' expostas ao ozônio sob condições controladas
Fisiologia Vegetal • Pesq. agropec. bras. 42 (5) • Maio 2007 • https://doi.org/10.1590/S0100-204X2007000500005 copiar
Soybean 'Tracajá' seedlings exposed to ozone under controlled conditions
, São Paulo, , SP, , Instituto de Botânica, Seção de Ecologia
, Manaus, , AM, , Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, fluizao@inpa.gov.br
, São Paulo, , São Paulo, , Universidade de São Paulo, Instituto de Física , Brazil, artaxo@if.usp.br
Glycine max; poluição atmosférica; antioxidantes; trocas gasosas; crescimento
Glycine max; air pollution; antioxidants; gas exchange; growth
Patricia BulbovasI; Silvia Ribeiro de SouzaI; Regina Maria de MoraesI; Flávio LuizãoII; Paulo ArtaxoIII
IInstituto de Botânica, Seção de Ecologia, Caixa Postal 3005, CEP 01061-970 São Paulo, SP. E-mail: patibul@usp.br, souzasrd@terra.com.br, regmorae@yahoo.com.br
IIInstituto Nacional de Pesquisas da Amazônia, Caixa Postal 478, CEP 69011-970 Manaus, AM. E-mail: fluizao@inpa.gov.br
IIIUniversidade de São Paulo, Instituto de Física, Rua do Matão, Travessa R, nº 187, CEP 05508-900 São Paulo, SP. E-mail: artaxo@if.usp.br
Termos para indexação:Glycine max, poluição atmosférica, antioxidantes, trocas gasosas, crescimento.
Index terms:Glycine max, air pollution, antioxidants, gas exchange, growth.
A soja (Glycine max) é uma das principais oleaginosas produzidas no mundo e uma importante matéria-prima empregada na elaboração de diversos produtos, desde óleo até papel. Em virtude de seu valor econômico e de sua potencialidade de cultivo em diversas condições, a cultura dessa leguminosa tem sido objeto de constante investimento em tecnologias na agricultura. Isto vem permitindo, entre outras coisas, o aumento significativo de sua produtividade e a expansão de fronteiras agrícolas. Atualmente, a soja é a cultura de grãos mais importante do Brasil, e é cultivada em diferentes regiões do país (Mello Filho et al., 2004), até mesmo na região sul da Amazônia.
A alteração no uso do solo amazônico em virtude do avanço da agricultura e pecuária tem sido responsável por emissões significativas de gases e partículas para a atmosfera, uma vez que a queimada é comumente usada na região para a limpeza de áreas de plantio após a retirada da floresta (Artaxo et al., 1998, 2003, 2005).
Entre os gases emitidos estão os precursores do ozônio (O3), o qual é formado na atmosfera por meio de reações fotoquímicas. A emissão destes gases faz com que as concentrações de O3 atinjam níveis que podem ser prejudiciais à floresta e às culturas agrícolas da região, mesmo a milhares de quilômetros das áreas queimadas (Cordova Leal, 2003; Artaxo et al., 2005; Freitas et al., 2005; Guyon et al., 2005).
Na Região Amazônica, a concentração média anual de ozônio estava entre 30–40 ppb na década de 1990, porém, por meio de modelagem das tendências futuras de emissões de óxidos de nitrogênio, um dos gases precursores do ozônio, está previsto que esta concentração alcance o valor médio anual de 60 ppb até 2030 (Emberson, 2003). Ambos os níveis configuram uma exposição crônica, ou seja, concentrações não muito altas de ozônio por longo período, mas que podem causar desequilíbrios bioquímicos e fisiológicos, como efeitos sobre sistemas enzimáticos e alterações nas trocas gasosas, respectivamente, que interferem no crescimento, causando perda de biomassa e produção de grãos (Morgan et al., 2003; Ashmore, 2005; Filella et al., 2005). O valor de 60 ppb é considerado fitotóxico e capaz de provocar redução da produtividade de espécies sensíveis (Fuhrer et al., 1997). Estudos indicam que a soja é uma cultura sensível ao ozônio; dependendo do nível de tolerância da cultivar, pode ocorrer até 80% de redução da área foliar e 50% de perda da produção de sementes (Morgan et al., 2003; Ashmore, 2005).
Há a necessidade de se estudar mais as espécies cultivadas e suas diferentes variedades, para conhecer as mais tolerantes aos efeitos negativos do ozônio (Fuhrer & Booker, 2003). Apesar da previsão de aumento dos níveis de ozônio no Brasil, principalmente devido às queimadas na Amazônia, ainda é desconhecido seu efeito sobre as espécies agrícolas aqui cultivadas e suas cultivares, que são diferentes das encontradas nos Estados Unidos e países da Europa, onde este tipo de estudo vem sendo realizado nas últimas décadas. Na Amazônia, em particular, não se conhece a resistência das variedades que têm sido cultivadas, principalmente no Sul da região, progressivamente cultivada com soja e mais exposta aos efeitos de poluentes atmosféricos das queimadas.
O objetivo deste trabalho foi avaliar o crescimento inicial, acúmulo de biomassa, trocas gasosas e defesas antioxidativas de plântulas de soja 'Tracajá', cultivada na Região Amazônica, exposta ao ozônio sob condições controladas.
A exposição de plântulas de soja ao ozônio foi realizada em laboratório, na Seção de Ecologia, do Instituto de Botânica, São Paulo, SP, em sistemas de câmaras fechadas. Estas câmaras consistem de filmes de Teflon fixados em armação de aço inoxidável. Em sua parte inferior há um suporte para vasos e, abaixo, um reservatório com água, ambos de aço inoxidável. Nessas câmaras, as plântulas foram expostas a dois tratamentos: ar filtrado (AF) isento de poluentes, e ar filtrado enriquecido com 30±14 ppb de ozônio (AF + O3) por 6 horas diárias.
O ar introduzido nas câmaras foi captado do ambiente por um compressor e conduzido para um sistema de filtragem contendo filtro secador, com sílica, e filtros para eliminar contaminantes atmosféricos, com carvão ativado e permanganato de potássio. Depois de filtrado, uma parte do ar foi conduzida para uma das câmaras (AF) e outra para um compartimento que continha dois tubos cilíndricos, denominados misturadores. Nesses tubos ocorreu a mistura do ar filtrado com o ozônio gerado por um ozonizador, que foi, então, levado para a outra câmara (AF + O3). A concentração de ozônio nas câmaras foi medida por meio de um analisador de ozônio modelo EC 9810B da marca Ecotech.
Sementes de soja 'Tracajá', fornecidas pela Embrapa Soja, Londrina, PR, foram colocadas para germinar, em janeiro de 2006, em seis vasos de aço inoxidável, com capacidade de 1 m3. Os vasos foram preenchidos com uma camada de vermiculita, uma de substrato comercial Plantmax (Eucatex – Brasil) e embebidos com água. Sobre o substrato foram postas 16 sementes, que foram cobertas com uma fina camada de vermiculita. Três vasos foram colocados em cada câmara. As plântulas germinadas foram irrigadas por capilaridade, através de barbantes de náilon inseridos na base dos vasos, sendo que uma de suas extremidades ficou em contato com as raízes e a outra metade mergulhada no reservatório de água.
Aos 10 dias após a semeadura, foram realizadas medidas de trocas gasosas em 9 plântulas de cada câmara, por meio de um analisador de gases por infravermelho (LI-6400, LI-COR, NE, USA). As taxas de fotossíntese líquida, condutância estomática e transpiração foram medidas entre 9 e 11h da manhã, sob condições ambientais, com densidade média de fluxo de fótons fotossinteticamente ativos de 1.400 µmol m-2 s-1, temperatura média de 28ºC e umidade relativa do ar média de 73%. Foram retiradas 10 plântulas de cada tratamento para avaliar o crescimento e acúmulo de biomassa – altura, diâmetro, comprimento da raiz, área foliar, biomassa total e razão entre biomassa radicular e epígea. As plântulas restantes permaneceram nas câmaras de fumigação. Aos 20 dias após a semeadura, foram novamente realizadas medidas de trocas gasosas, crescimento e acúmulo de biomassa. Também foram analisadas as defesas antioxidativas (ácido ascórbico e enzima superóxido dismutase). Todo este procedimento experimental foi realizado em duplicata.
A fim de avaliar a concentração de ácido ascórbico (AA), folhas frescas (0,5 g) foram homogeneizadas com 12 mL de solução aquosa de etileno diamina ácido tetracético – sal de sódio (EDTA-Na2) (0,07%) e ácido oxálico (0,5%). O extrato resultante foi centrifugado (40.000 g, 30 min, a 2ºC). Leituras foram realizadas em espectrofotômetro (l = 520 nm), após o acréscimo de 2,5 mL de solução 2,6 diclorofenol-indofenol sal de sódio dihidratado (DCPiP) (0,02%) (primeira leitura) e 0,05 mL de ácido ascórbico 1% ao sobrenadante (segunda leitura). O conteúdo de ácido ascórbico foi estimado com base na diferença entre o branco e o resultado da diferença dessas leituras (Keller & Schwager, 1977).
A atividade da enzima superóxido dismutase (SOD) foi determinada de acordo com Osswald et al. (1992). Folhas frescas (0,35 g) foram homogeneizadas com PVPP e solução contendo tampão fosfato (50 mM, pH 7,5), EDTA-Na2 1 mM, NaCl 50 mM e ácido ascórbico 1 mM e centrifugadas (22.000 g, 25 min, a 2ºC). Ao sobrenadante foram adicionados 0,5 mL de EDTA-Na2 0,54 mM, 0,8 mL de tampão fosfato de potássio (0,1 M, pH 7), 0,5 mL de metionina 0,13 mM, 0,5 mL de azul p-nitrotetrazólio (NBT) 0,44 mM e 0,2 mL de riboflavina 1 mM, e a solução resultante foi exposta à luz fluorescente (80 W) por 30 min. Extratos preparados seguindo o mesmo procedimento foram mantidos no escuro. A absorbância da solução foi medida em espectrofotômetro (l = 560 nm) em ambos os tipos de extrato (iluminado e não iluminado) e a diferença entre as duas absorbâncias foi considerada para a determinação da atividade da SOD, que consistiu na inibição da redução do NBT, pela dismutação enzimática do superóxido.
Durante o trabalho, as condições de temperatura, umidade relativa e radiação fotossinteticamente ativa foram monitoradas. Os valores médios de temperatura e umidade relativa foram 27ºC e 77%, respectivamente, com máximo e mínimo de temperatura de 37 e 20ºC e de umidade relativa de 94 e 39%. A irradiância média, do período de 12 horas diárias, foi de 700 µmol m-2 s-1 , com valores máximos de 1.800 µmol m-2 s-1 nos dias ensolarados e 100 µmol m-2 s-1 nos dias nublados.
As diferenças entre os tratamentos foram avaliadas pelo teste t, utilizando-se o programa Sigma Stat (Jandel Scientific, 1994). Também foi realizada análise de componentes principais (ACP) para avaliar as respostas das variáveis em relação aos tratamentos, utilizando-se programa PCOrd (McCune & Mefford, 1999). A ACP separa as variáveis, estatisticamente mais relevantes dentro do desenho experimental, que explicam a variabilidade das medidas.
As trocas gasosas nas plântulas de soja foram mais elevadas aos 20 dias após a semeadura do que aos 10 dias, em ambos os tratamentos, AF e AF + O3 (Tabela 1). Isto possivelmente ocorreu porque, aos 20 dias, as plântulas haviam deixado de depender das reservas dos cotilédones; estes já haviam caído ou, quando ainda presentes, as plântulas dependiam menos deles e mais do processo fotossintético.
A exposição ao ozônio reduziu as trocas gasosas nas plantas do tratamento AF + O3 tanto aos 10 como aos 20 dias após a semeadura, quando comparado ao tratamento AF (Tabela 1). Aos 10 dias, esta redução foi de 16, 27 e 12%, respectivamente, para fotossíntese líquida, condutância estomática e transpiração. Aos 20 dias, as reduções da fotossíntese líquida (20%) e da transpiração (20%) foram mais pronunciadas, ao passo que a condutância estomática apresentou uma redução mais baixa (21%), quando comparada com as plântulas aos 10 dias após a semeadura. A diminuição na fotossíntese líquida nas plântulas expostas ao ozônio pode ter sido causada por distúrbios em várias etapas do processo fotossintético, provocados pelo estresse oxidativo devido à produção de espécies ativas de oxigênio. Estudos mostram que a carboxilação é, geralmente, a etapa mais vulnerável, pois a ribulose bifosfato carboxilase-oxigenase (Rubisco) tem sua síntese e atividade reduzida (Pell et al., 1994; Farage & Long, 1999; Zheng et al., 2002).
A redução da condutância estomática pode ser causa ou efeito da menor assimilação de carbono (Bortier et al., 2000; Zheng et al., 2002). No entanto, o fato de, aos 10 dias, a porcentagem de redução entre o tratamento AF e AF + O3 (27%) ter sido maior do que aos 20 dias (21%) pode indicar que as plântulas expostas ao ozônio diminuíram sua capacidade de regular a condutância com o prolongamento da exposição. Com condutância estomática mais alta, há maior fluxo de ozônio para o interior da folha e, assim, maior estresse oxidativo, o que pode ter sido a causa da maior redução da fotossíntese e da transpiração aos 20 dias, em comparação com as plântulas do tratamento AF.
A redução das trocas gasosas influenciou o crescimento e acúmulo de biomassa, que também foram reduzidos nas plântulas do tratamento AF + O3 (Tabela 1). Dez dias após a semeadura, estas plântulas apresentaram valores médios de crescimento em altura, área foliar e biomassa menores do que as plântulas do tratamento AF. Aos 20 dias, além destes parâmetros, comprimento da raiz, diâmetro do caule e razão entre biomassa radicular e epígea também foram reduzidos.
As alterações no crescimento e produção de biomassa nas plântulas do tratamento AF + O3 também podem ser decorrentes de desequilíbrios nutricionais causados pela redução da biomassa radicular e possível mudança na absorção de nutrientes pela planta (Oksanen, 2001). A redução da disponibilidade de nutrientes pode atingir vias metabólicas, inibir enzimas destas vias, afetar o metabolismo de carboidratos, bem como as vias de transporte de nutrientes entre as partes da planta (Oksanen & Saleem, 1999; Postiglione et al., 2000; Morgan et al., 2003).
A concentração de ácido ascórbico e a atividade da enzima superóxido dismutase, em plântulas de soja 'Tracajá' aos 20 dias após a semeadura, foram maiores 18 e 28%, respectivamente, no tratamento AF + O3 (Tabela 1). As plântulas devem ter desviado energia do crescimento para investir em defesas antioxidativas. Contudo, o aumento em defesas nem sempre é capaz de evitar danos às plantas (Filella et al., 2005). Booker & Fiscus (2005) também observaram aumento das defesas antioxidativas em plantas de soja expostas ao ozônio, no entanto, assim como no presente trabalho, a fotossíntese líquida e o crescimento também diminuíram.
A análise de componentes principais (ACP) resumiu 78,5% da variabilidade total dos dados nos dois primeiros eixos: o primeiro eixo representou 58,3% da variabilidade das medidas e o segundo 20,2% (Figura 1). No lado positivo do eixo 1, foram alocadas unidades amostrais referentes às plântulas do tratamento AF, as quais foram fortemente associadas a altos valores de transpiração, fotossíntese líquida e condutância estomática. Estas variáveis foram altamente correlacionadas com o eixo 1 (Tabela 2). Diferentemente, no lado negativo do eixo 1, encontraram-se as unidades amostrais das plântulas do tratamento AF + O3 associadas a altos valores de ácido ascórbico e superóxido dismutase. As defesas antioxidativas apresentaram as maiores correlações com o eixo 2. Desta forma, a ACP traduziu, principalmente pelo eixo 1, a resposta das plântulas de soja à diferença entre os tratamentos.
A redução das trocas gasosas, do crescimento e acúmulo de biomassa da cultivar estudada foi alta, considerando a concentração a qual as plântulas foram submetidas. Além disso, estas mesmas plântulas expostas ao ozônio apresentaram mudanças no padrão de emissão de compostos orgânicos voláteis e danos foliares visíveis, parâmetros que ainda necessitam de maior investigação, mas que também indicam a sensibilidade desta cultivar ao ozônio.
Esses resultados indicam uma possível perda de produtividade da soja causada pela exposição ao ozônio. Heagle et al. (1999) e Britz & Robinson (2001) observaram que diferentes cultivares de soja utilizadas na agricultura norte-americana quando expostas ao ozônio, diminuíram a produção de biomassa e grãos podendo ocorrer prejuízos econômicos de até US$ 4,00 bilhões ao ano (Ashmore, 2005). Ao avaliar a sensibilidade ao ozônio das espécies de maior importância econômica cultivadas na China, Europa e Estados Unidos, Chameides et al. (1999) e Aunan et al. (2000), Mills et al. (2000) e Ashmore (2003), respectivamente, concluíram que a soja é uma das espécies mais sensíveis.
Os resultados deste trabalho indicam os danos potenciais do ozônio ao cultivo da soja em regiões brasileiras, especialmente as que recebem as plumas das queimadas da Amazônia, uma vez que Cordova Leal et al. (2003) e Artaxo et al. (2005) registraram, durante o período das queimadas, concentração atmosférica de ozônio três vezes mais alta do que a utilizada neste trabalho.
1. Aos 10 dias após a semeadura, plântulas de soja 'Tracajá' expostas ao ozônio apresentam valores médios de fotossíntese líquida, condutância estomática, transpiração, altura, área foliar e biomassa menores.
2. Aos 20 dias após a semeadura, além desses parâmetros, plântulas de soja 'Tracajá' expostas ao ozônio apresentam valores médios de comprimento da raiz, diâmetro do caule e razão raiz:parte aérea menores e concentração de ácido ascórbico e atividade da enzima superóxido dismutase elevadas.
Ao CNPq, pela bolsa concedida e pelo apoio financeiro; à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo, pelo financiamento da construção do sistema de fumigação; à Embrapa Soja, pelo fornecimento das sementes; ao Prof. Dr. Welington Braz Carvalho Delitti da Universidade de São Paulo, Instituto de Biociências, Dep. de Ecologia, pelo empréstimo do analisador de gases por infravermelho.
Recebido em 13 de julho de 2006 e aprovado em 19 de abril de 2007
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