Fotossíntese e fotoinibição em mogno e acariquara em função da luminosidade e temperatura foliar

Photosynthesis and photoinhibition in mahogany and acariquara as a function of irradiance and leaf temperature

FISIOLOGIA VEGETAL

Fotossíntese e fotoinibição em mogno e acariquara em função da luminosidade e temperatura foliar

Photosynthesis and photoinhibition in mahogany and acariquara as a function of irradiance and leaf temperature

Daniela Pereira Dias^I; Ricardo Antonio Marenco^II

^IInstituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA), Curso de Pós-graduação em Ciências de Florestas Tropicais, Caixa Postal 478, CEP 69011-970 Manaus, AM. E-mail: [e-mail]

^IIINPA, Coordenação de Pesquisas em Silvicultura Tropical, E-mail: [e-mail]

RESUMO

A fotoinibição pode ser intensificada por fatores de estresse como alta temperatura. O objetivo deste trabalho foi determinar os efeitos da luminosidade e temperatura na fotossíntese e na recuperação da fotoinibição sob baixa irradiância em mogno (Swietenia macrophylla King) e acariquara (Minquartia guianensis Aubl.). As plantas cresceram sob baixa irradiância: 0,20 (acariquara) e 1,43 mol m^-2 dia^-1 (mogno). A fotossíntese líquida e as características da fluorescência foram avaliadas em duas irradiâncias, 1.000 e 1.700 mmol m^-2 s^-1 , e duas temperaturas foliares, 32 e 38ºC. A 32ºC, a fotossíntese máxima (A_máx) foi maior em mogno do que em acariquara. Em mogno, a exposição a 38ºC causou redução gradativa na fotossíntese, sendo a taxa fotossintética após 50 min similar à encontrada em acariquara. A 32ºC, o aumento na irradiância, de 1.000 para 1.700 mmol m^-2 s^-1 , intensificou a fotoinibição, mas A_máx não foi alterada. Em 1.700 mmol m^-2 s^-1, o aumento da temperatura, de 32 para 38ºC, não afetou a fotoinibição. Após 72 horas em baixa irradiância, a recuperação da fotoinibição foi de 80% em acariquara e 89% em mogno. Não houve efeito da temperatura da folha na fotoinibição.

Termos para indexação: Amazônia, condutância estomática, eficiência fotoquímica, fluorescência, Minquartia guianensis, Swietenia macrophylla.

ABSTRACT

Photoinhibition may be exacerbated by stress factors such as high temperature. The aim of the work was to determine the effects of temperature and irradiance on photosynthesis and photoinhibition in mahogany (Swietenia macrophylla King) and acariquara (Minquartia guianensis Aubl.). Also to assess the effect of irradiance and temperature on the recovery from photoinhibition at low irradiance. Sapling were grown at low irradiance: 0.20 mol m^-2 day^-1 (mahogany) and 1.43 mol m^-2 day^-1 (acariquara). Photosynthesis and fluorescence characteristics were assessed in plants subjected to two irradiances 1,000 and 1,700 mmol m^-2 s^-1 , and two temperatures, 32 e 38ºC. At 32ºC, light saturated photosynthesis (A_max) was greater in mahogany than in acariquara. Mahogany plants exposed to 38ºC showed a consistent decline in carbon uptake, and after 50 min both species showed the same photosynthetic rates. In saplings exposed to 32ºC, increase in irradiance, from 1,000 to 1,700 mmol m^-2 s^-1 , exacerbated photoinhibition, but without reducing A_max values. At 1,700 mmol m^-2 s^-1 , the rise in temperature, from 32 to 38ºC, did not increase photoinhibition. After 72 hours at low irradiance, recovery from photoinhibition was 80% in acariquara and 89% in mahogany. There was no effect of leaf temperature on photoinhibition.

Index terms: Amazonia, fluorescence, Minquartia guianensis, photochemical efficiency, stomatal conductance, Swietenia macrophylla.

Introdução

A abertura repentina do dossel da floresta primária, decorrente da queda natural de árvores, expõe plantas do sub-bosque à irradiância plena, o que pode levar ao aumento da temperatura da folha, com possibilidades de promover a fotoinibição da fotossíntese (Houter & Pons, 2005).

Segundo Long et al. (1994), a fotoinibição é um processo fisiológico caracterizado pela redução lenta e reversível da fotossíntese como resultado da exposição à luz solar plena. A intensidade da fotoinibição pode ser avaliada pela redução na eficiência quântica do fotossistema II (relação F_v/F_m ). Comumente, esta característica da fluorescência é usada como indicador de estresse, quando fatores bióticos ou abióticos alteram a funcionalidade do fotossistema II (FSII).

A suscetibilidade à fotoinibição depende principalmente da espécie e do ambiente de luz de crescimento (Osmond, 1994). Assim, em comparação com espécies que requerem altos níveis de luz para crescer, como o mogno (Swietenia macrophylla King), as espécies tolerantes à sombra, como acariquara (Minquartia guianensis Aubl.), são mais susceptíveis à fotoinibição e possuem menor capacidade de aclimatação à alta luminosidade (Kitao et al., 2000a; Dias & Marenco, 2006). O mogno é uma espécie intermediária na escala de sucessão, com baixa densidade na floresta natural, e cresce bem sob alta luminosidade (Marenco et al., 2001). A acariquara, apesar de ser uma espécie de dossel, é tolerante à sombra na fase juvenil e apresenta taxas respiratória e fotossintética baixas (Marenco & Vieira, 2005).

A exposição de plantas jovens à luz solar plena pode levar ao aumento significativo na temperatura foliar que, eventualmente, causa quedas drásticas no potencial hídrico da folha e intensifica os efeitos da fotoinibição (Valladares & Pearcy, 1997). As temperaturas consideradas moderadamente altas (35 a 42°C) podem causar danos diretos ao aparato fotossintético (Wise et al., 2004), por provocar mudanças na membrana do tilacóide e alterar as propriedades físico-químicas, e também a organização funcional dessas estruturas celulares (Berry & Björkman, 1980). Em elevadas temperaturas, a taxa máxima de assimilação de carbono pode ser inibida por diminuir a condutância estomática (Law & Crafts-Brandner, 1999). Além disso, altas temperaturas podem levar ao aumento da respiração mitocondrial e da fotorrespiração.

Vários fatores podem contribuir para a proteção contra a fotoinibição, incluindo mecanismos que diminuem a absorção de luz – movimento de folhas, pilosidade, reflectância –, a fotorrespiração, a redução do oxigênio no fotossistema I, que leva à formação de água (ciclo água-água), e a dissipação de energia por mecanismos não-fotoquímicos – perda de calor ou dissipação não radiativa. A fotorrespiração é mais efetiva na proteção contra a fotoinibição do que o transporte alternativo de elétrons para o oxigênio no ciclo água-água, pois a fotorrespiração dissipa o excesso de ATP e NADPH produzidos durante a fase fotoquímica da fotossíntese (Wu et al., 1991). A transferência de energia das clorofilas para alguns carotenóides do ciclo da xantofila leva à dissipação de energia na forma de calor, que ocorre no complexo coletor de luz do FSII (Demmig-Adams & Adams, 1992).

Apesar de existirem estudos sobre fotoinibição da fotossíntese, pouco é o conhecimento sobre como os fatores de estresse (luz e temperatura) influenciam o grau de fotoinibição e, conseqüentemente, a assimilação de carbono em espécies arbóreas da Amazônia.

O objetivo deste trabalho foi determinar os efeitos da luminosidade e temperatura na fotossíntese e na recuperação da fotoinibição sob baixa irradiância em mogno (Swietenia macrophylla King) e acariquara (Minquartia guianensis Aubl.).

Material e Métodos

O experimento foi realizado no Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia (INPA - campus V8, 3º5'30"S; 59º59'35"O), Manaus, AM, em janeiro de 2005. Utilizaram-se plantas jovens de acariquara (Minquartia guianensis Aubl. – Olacaceae) e de mogno (Swietenia macrophylla King – Meliaceae), que cresceram em sacos de plástico de 3 L contendo solo da floresta (20 cm). As plantas foram selecionadas de acordo com o tamanho (30 cm de altura). Durante o crescimento, 1 e 3 anos para mogno e acariquara, respectivamente, as plantas foram acondicionadas, à sombra natural de árvores adultas, em uma pequena floresta. Os valores de irradiância foram obtidos com um sensor quântico (Li-191 SA, LiCor, EUA) conectado a um "datalogger". A fluência de fótons (irradiância diária) durante as condições de crescimento foi de 0,20 mol m^-2 dia^-1 em acariquara e 1,43 mol m^-2 dia^-1 no mogno.

A fotossíntese foi calculada com um sistema portátil de medição de trocas gasosas (Li-6400, LiCor, EUA). A concentração de CO₂ no fluxo de ar recebida na câmara foliar (CO₂ de referência) foi 380 µmol mol^-1. As plantas de mogno e acariquara foram submetidas, durante 1 hora, a tratamentos de luz e temperatura da folha: 1 000 µmol m^-2 s^-1 a 32ºC e 1.700 µmol m^-2 s^-1 a 32ºC e 38ºC. Foram selecionadas folhas maduras, totalmente expandidas e com bom aspecto fitossanitário, que se situavam no terço médio da planta. No início da coleta dos dados, a luminosidade e temperatura da folha foram gradativamente aumentadas até atingirem os valores descritos para os tratamentos, período de acondicionamento que durou 20 minutos.

A emissão da fluorescência da clorofila a do fotossistema II foi mensurada com um fluorômetro (PEA, MK2, 9600, Hansatech, UK), após 15 min de adaptação ao escuro. Foram obtidos dados de fluorescência inicial (F_o), fluorescência máxima (F_m) e a relação F_v/F_m (eficiência quântica máxima do FSII), em que F_v (fluorescência variável) é a diferença entre F_m e F_o. Os valores de fluorescência foram mensurados no mesmo local da folha onde foi medida a fotossíntese. As características da fluorescência foram determinadas antes das plantas serem submetidas aos tratamentos de luminosidade e temperatura (controle) e durante a recuperação da fotoinibição. A recuperação foi acompanhada após 15 e 30 min e 1, 2, 3, 5, 24, 48 e 72 horas de exposição aos tratamentos de luz e temperatura, em baixa irradiância (menos de 20 µmol m^-2 s^-1).

O delineamento experimental utilizado foi inteiramente casualizado, com três tratamentos por espécie e de três a seis plantas por tratamento (repetições). A diferença entre as médias ao longo do tempo de exposição aos tratamentos de luz e temperatura, bem como durante o tempo de recuperação da fluorescência, foi observada utilizando-se o erro-padrão da média.

Resultados e Discussão

O aumento da irradiância de 1.000 para 1.700 µmol m^-2 s^-1, a 32ºC, causou pouco efeito na fotossíntese máxima, independentemente da espécie (Figura 1). Os maiores valores de fotossíntese foram encontrados em mogno. A maior fixação de carbono em mogno provavelmente foi decorrente do fato do mogno ser uma espécie tolerante à luz (Marenco et al., 2001), bem como por ter recebido maior luminosidade durante o crescimento. A acariquara, espécie tolerante à sombra, apresenta naturalmente taxas fotossintéticas baixas e crescimento lento (Marenco & Vieira, 2005).

Com relação aos valores máximos observados no tratamento de 1.700 µmol m^-2 s^-1 e 32ºC, a fotossíntese do mogno diminui gradativamente nas plantas expostas a 38ºC, até atingir 2,5 µmol m^-2 s^-1 (redução de 50%) (Figura 1 E). Assim, ao final do experimento, a taxa fotossintética de mogno foi similar à observada em acariquara. Nesta espécie, o aumento da temperatura causou redução menor (18%) na fixação de carbono (Figura 1 F). O aumento da temperatura da folha também causou redução na condutância estomática (g_s), e este efeito foi mais acentuado em mogno (Figura 2). A redução da taxa fotossintética em mogno com o tempo de exposição à luminosidade e temperatura altas pode ser atribuída a aumentos no deficit de pressão de vapor (DPV) (Park & Furukawa, 1999; Mohotti & Lawlor, 2002), sem descartar um eventual efeito da diminuição do potencial hídrico foliar no fechamento dos estômatos (Angelopoulos et al., 1996). Marenco et al. (2006) relataram que aumentos no DPV causam forte redução na condutância estomática e, conseqüentemente, na fotossíntese. Além disso, a temperatura pode reduzir a assimilação de carbono devido ao seu efeito em processos fotoquímicos ou pelo aumento na fotorrespiração (Ishida et al., 1999; Pons & Welschen, 2003).

Em condições de DPV elevado, pode ocorrer redução na fotossíntese e aumento na fotorrespiração, provavelmente pelo efeito do DPV no fechamento dos estômatos, o que leva à diminuição do carbono interno. Pesquisas recentes confirmam os resultados obtidos, em que, após 10 min de exposição a 38ºC houve 30% de redução na taxa líquida da fotossíntese em Quercus pubescens L. (Haldimann & Feller, 2004). Sob baixa umidade do ar (alto DPV), a eficiência quântica e a condutância estomática foram menores em plantas de Heteromeles arbustifolia, indicando que houve redução no ganho de carbono para conservação hídrica e fotoproteção (Valladares & Pearcy, 1997). Alta temperatura inibe a assimilação de CO₂ em condição de luz saturante, primeiramente pelo decréscimo do estado de ativação da Rubisco via inibição da Rubisco ativase (Law & Crafts-Brandner, 1999) ou pela limitação no transporte de elétrons e redução na capacidade de regeneração da ribulose 1,5 bifosfato (Wise et al., 2004).

Em relação aos valores obtidos sob baixa irradiância (controle), F_o aumentou 11% em mogno e 15% em acariquara após exposição das plantas a 1.000 µmol m^-2 s^-1 e 32ºC, enquanto F_o diminuiu 8% em mogno e 5% em acariquara em plantas expostas a 1.700 µmol m^-2 s^-1 e 38ºC (Figura 3 A e B). Em ambas as espécies, os valores de F_o permaneceram constantes nas plantas expostas a 1.700µmol m^-2 s^-1 e 32ºC. Resultados similares foram encontrados por Bertamini & Nedunchezhian (2002), que observaram aumentos de F_o em folhas de Vitis berlandieri; porém, F_o permaneceu constante ao longo do dia em Vitis rupestris. O aumento em F_o pode ser atribuído à inibição da transferência de elétrons da plastoquinona A (Q_A) para a plastoquinona B (Q_B), o que indica que houve dano na proteína D₁ do centro de reação do FSII (Dias & Marenco, 2006). Os decréscimos em F_o provavelmente envolvem, além de danos à proteína D₁, danos irreversíveis a subunidades do complexo de evolução do oxigênio (Barber & Anderson, 1992; Bertamini et al., 2004).

Os valores de fluorescência máxima (F_m) apresentaram tendência similar entre as espécies (Figura 3 C e D). Em relação ao controle, sob baixa irradiância, F_m decresceu cerca de 40% nas plantas expostas a 1.000 µmol m^-2 s^-1 e 32ºC, em ambas as espécies. Entretanto, o aumento da luminosidade fez com que os valores de F_m reduzissem mais de 50% nas duas espécies estudadas. A redução de F_m tem sido atribuída à dissipação não-fotoquímica principalmente por meio do ciclo da xantofila, em que a violaxantina é convertida em zeaxantina (Demmig-Adams & Adams, 1992). Dessa forma, o excesso de energia absorvida pela folha é drenado para carotenóides do ciclo da xantofila que a dissipa na forma de calor, o que protege o fotossistema II contra possíveis danos oxidativos causados pela radiação solar plena.

Com relação ao controle, sob baixa irradiância, a exposição das plantas a 1.000 µmol m^-2 s^-1 e 32ºC causou decréscimo na relação F_v/F_m, de 18% em mogno e 24% em acariquara. O aumento da luminosidade de 1.000 para 1.700 µmol m^-2 s^-1 a 32ºC aumentou a fotoinibição, pois houve decréscimo na relação F_v/F_m, de 31% em mogno e de 37% em acariquara. Entretanto, plantas expostas a 1.700 µmol m^-2 s^-1 e 32 ou 38ºC apresentaram pouca variação na eficiência quântica do FSII, independentemente da espécie (Figura 3 E e F). O aumento da luminosidade causou maior fotoinibição, tanto em mogno quanto em acariquara, pois o que determina a fotoinativação do FSII é a fluência de fótons que chega até a folha (Anderson et al., 1997). Não foi observado efeito da temperatura na eficiência quântica do fotossistema II, apesar de alta tempertura intensificar o efeito da fotoinibição em algumas circunstâncias (Powles, 1984).

Durante a fase de recuperação sob baixa irradiância (<20 µmol m^-2 s^-1), os valores de F_o aumentaram nas plantas submetidas a 1.000 µmol m^-2 s^-1 e 32ºC, em ambas as espécies (Figura 3 A e B). O aumento de F_o pode ser atribuído à redução não-fotoquímica da Q_A no escuro pelo NAD(P)H disponível no cloroplasto, processo conhecido como clororrespiração (Peltier & Cournac, 2002). Por sua vez, nos tratamentos com alta luminosidade, os valores de F_o apresentaram pouca variação ao longo do tempo de recuperação, independentemente da temperatura, o que sugere que houve danos severos na proteína D₁ do FSII (Dias & Marenco, 2006). Pode-se observar na Figura 3 A e B que após 24, 48 e 72 horas de recuperação, os valores de F_o foram semelhantes nas duas espécies, independentemente do tratamento de luminosidade e temperatura.

A recuperação dos valores de F_m foi gradual ao longo das 72 horas de monitoramento em baixa irradiância (Figura 3 C e D). Em relação ao controle, a recuperação dos valores de F_m após 72 horas foi de 76 a 89% em mogno, e de 74 a 80% em acariquara e a recuperação da relação F_v/F_m seguiu esta mesma tendência (Figura 3 E e F). Após 72 horas, a recuperação da fotoinibição foi similar entre as espécies, e a máxima recuperação foi observada nas plantas expostas à irradiância e temperaturas moderadas, 93% em mogno e 90% em acariquara. A recuperação da fotoinibição, medida pela relação F_v/F_m, foi similar nas duas espécies expostas aos tratamentos com alta irradiância, independentemente da temperatura (Figura 3 E e F). Kitao et al. (2000b) também encontraram que o aumento da temperatura tem pouco efeito na recuperação da fotoinibição (relação F_v/F_m) em Shorea platyclados e Dipterocarpus oblongifolius após exposição por 2 horas à luminosidade fotoinibitória (1.600 µmol m^-2 s^-1 ).

A temperatura causou declínio na taxa fotossintética, principalmente em mogno, entretanto não intensificou a fotoinibição. Desse modo, a abertura repentina do dossel, como conseqüência da queda natural de árvores ou do desmatamento seletivo, pode num primeiro momento diminuir a fotossíntese e aumentar a mortalidade das plantas jovens. Entretanto, a longo prazo a exposição à luz solar plena não parece afetar a fixação de carbono e o crescimento de espécies arbóreas como o mogno (Grogan et al., 2003).

Conclusões

1. Uma hora de exposição à alta temperatura (38ºC) e alta irradiância causa diminuição na taxa de assimilação de carbono, sobretudo em mogno, em parte, em razão da diminuição da condutância estomática.

2. Em temperaturas de até 38°C, a alta irradiância é o fator determinante na severidade da fotoinibição da fotossíntese.

3. A exposição à luz solar plena causa variações na fluorescência inicial da clorofila.

4. Ocorre aumentos nos valores de F_o em irradiâncias e temperaturas moderadas durante a recuperação da fotoinibição, o que está associado à recuperação mais rápida da fotoinibição.

Agradecimentos

Ao Ministério de Ciência e Tecnologia e à Fapeam, pelo apoio financeiro; à Capes e ao CNPq, pelas bolsas concedidas.

Recebido em 4 de agosto de 2006 e aprovado em 7 de dezembro de 2006

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  08 Maio 2007
• Data do Fascículo
  Mar 2007

Histórico

• Aceito
  07 Dez 2006
• Recebido
  04 Ago 2006