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Taxas respiratórias de sementes de Eugenia brasiliensis Lam. (Myrtaceae) sob atmosferas modificadas

RESUMO

(Taxas respiratórias de sementes de Eugenia brasiliensis Lam. (Myrtaceae) sob atmosferas modificadas). O sucesso da conservação de sementes se resume à redução tanto do seu metabolismo quanto de outros organismos associados a elas. Uma das formas de se avaliar a intensidade metabólica é analisando-se as taxas respiratórias, mas há necessidade de se desenvolver protocolos metodológicos para isso. Além disso, atmosfera modificada tem demonstrado algum controle na respiração quando as concentrações de O2 e CO2 são alteradas. Neste trabalho, avaliou-se o efeito da alteração das concentrações de O2 e CO2 do ambiente em que sementes foram armazenadas de maneira a inibir o metabolismo respiratório das sementes de Eugenia brasiliensis Lam. Os resultados demonstraram que em atmosferas com concentração de CO2 entre 1,9% e 3,7% é possível diminuir o metabolismo respiratório dessas sementes. Além disso, é apresentado um modelo que permite controlar os fatores envolvidos na análise das taxas respiratórias em sementes.

Palavras-chave:
grumixama; conservação de sementes; metabolismo respiratório; sementes recalcitrantes

ABSTRACT

(Respiratory rates of Eugenia brasiliensis Lam. (Myrtaceae) seeds at modified atmospheres). Successful seed conservation depends on reducing the metabolism of both the seeds and other associated organisms. The metabolic activity can be analyzed by the respiratory rates but it depends on the developing of methodological protocols. In addition, modified atmosphere has shown some control in respiration when O2 and CO2 concentrations are changed. This work evaluated the effect of changes in O2 and CO2 concentrations on the inhibition of the respiratory metabolism of Eugenia brasiliensis Lam seeds. The results showed that in atmospheres with CO2 concentration between 1.9% and 3.7% it is possible to decrease the metabolism of these seeds. In addition, a model that allows controlling the factors involved in the analysis of respiratory rates in seeds is presented.

Keywords:
grumixama; recalcitrant seeds; respiratory metabolism; seed conservation

Introdução

Sementes sensíveis à dessecação, dispersas com conteúdo elevado de água, assim como as tolerantes à dessecação coletadas ainda imaturas, apresentam menor tempo de vida útil em armazenamento, uma vez que seu metabolismo se encontra acelerado levando ao consumo de reservas e, caso não germinem, desencadeiam processos oxidativos com formação de radicais livres que aceleram sua deterioração (Barbedo et al. 2013Barbedo, C.J., Centeno, D.C. & Figueiredo-Ribeiro, R.C.L. 2013. Do recalcitrant seeds really exist? Hoehnea 40: 583-593., 2018).

O sucesso da conservação de sementes se resume à redução tanto do seu metabolismo, atrasando reações químicas prejudiciais à manutenção da viabilidade, quanto de outros organismos associados a elas como insetos e fungos, que acabam contribuindo para sua deterioração. Para evitar esses danos é fundamental que se reduza tanto o teor de água das sementes quanto a temperatura em que serão armazenadas (Walters et al. 2001Walters, C., Pammenter, N.W., Berjak, P. & Crane, J. 2001. Desiccatino damage, accelerated ageing and respiration in desiccation tolerance and sensitive seeds. Seed Science Research 11: 135-148., Pagnotta & Bruni 2006Pagnotta, S.E. & Bruni, F. 2006. The glassy state of water: a ‘stop and go’ device for biological processes. In: G.H. Pollack, I.L. Cameron & D.N. Wheatley (eds.). Water and the cell. Springer, Dordrecht, pp. 93-112, Alpert 2005Alpert, P. 2005. The limits and frontiers of desiccation-tolerant life. Integrative and Comparative Biology 45: 685-695., Barbedo et al. 2018Barbedo, C.J., Silva, J.P.N., Françoso, C.F. & Parisi, J.J.D. 2018. Armazenamento de sementes. In: Barbedo, C.J. & Santos-Junior, N.A. (eds.). Sementes do Brasil: produção e tecnologia para espécies da flora brasileira. Instituto de Botânica/SMA, São Paulo, pp. 81-108.). Contudo, quando se trabalha com sementes recalcitrantes (de elevados conteúdos de água, sensíveis a dessecação e a baixas temperaturas), os estudos sobre sua conservação ainda são inconclusivos, principalmente por ainda não terem sido desvendados os fatores que atuam em seu metabolismo durante o armazenamento (Silva et al. 2018Silva, E.A.A., Oliveira, J.M. & Pereira, W.V.S. 2018. Fisiologia das sementes. In: C.J. Barbedo & N.A. Santos-Junior (eds.). Sementes do Brasil: produção e tecnologia para espécies da flora brasileira. Instituto de Botânica/SMA, São Paulo, pp. 15-40., Bonjovani & Barbedo 2019Bonjovani, M.R. & Barbedo, C.J. 2019. Respiration and deterioration of Inga vera ssp. affinis embryos stored at different temperatures. Journal of Seed Science 41: 44-53.). Como não se pode “desligar” esse metabolismo, as melhores condições de armazenamento devem considerar uma atividade fisiológica suficiente para mantê-las vivas e ainda evitar a germinação. Uma das formas de se avaliar a intensidade metabólica é analisando-se as taxas respiratórias, pois todo metabolismo necessita energia. As alterações das concentrações de dióxido de carbono (CO2) e oxigênio (O2) no ambiente de armazenamento em que as sementes se encontram podem ser úteis tanto para o diagnóstico das taxas respiratórias (aeróbicas ou anaeróbicas) e de outros processos de oxidação quanto para controle desse metabolismo (Ibrahim et al. 1983Ibrahim, A.E., Roberts, E.H. & Murdoch, A.J. 1983. Viability of lettuce seeds II. Survival and oxygen uptake in osmotically controlled storage. Journal of Experimental Botany 34: 631-640., Walters et al. 2001Walters, C., Pammenter, N.W., Berjak, P. & Crane, J. 2001. Desiccatino damage, accelerated ageing and respiration in desiccation tolerance and sensitive seeds. Seed Science Research 11: 135-148., Barbedo 2018Barbedo, C.J. 2018. A new approach towards the so-called recalcitrant seeds. Journal of Seed Science 40: 221-236.). Na criopreservação de embriões de sementes recalcitrantes, por exemplo, que necessitam prévia redução no teor de água, uma taxa respiratória que não ultrapasse o valor de 5.000 μmols de O2 consumido durante o processo de secagem evita os danos comuns à dessecação de sementes recalcitrantes (Walters et al. 2001Walters, C., Pammenter, N.W., Berjak, P. & Crane, J. 2001. Desiccatino damage, accelerated ageing and respiration in desiccation tolerance and sensitive seeds. Seed Science Research 11: 135-148.).

Uma atmosfera modificada rica em CO2 e pobre em O2 pode reduzir tanto a infestação por insetos e fungos, como também a atividade metabólica de grãos armazenados, com redução de sua taxa respiratória e, consequentemente, das perdas por processos oxidativos (Aguiar et al. 2004Aguiar, R.W.S., Sarmento, R.A., Vieira, S.M. & Didonet, J. 2004. Controle de pragas em grãos armazenados utilizando atmosfera modificada. Bioscience Journal 20: 21-27., Villers et al. 2006Villers, P., Bruin, T. & Navarro, S. 2006. Safe storage of grain in the tropics: a comparison of hermetic storage in flexible silos versus rigid metal or concrete silos. In: A. West & J. Brown (eds.). Feed Technology Update. Linx Publishing, Honolulu, pp. 17-22.). Entre outros processos possíveis, um dos principais efeitos da baixa concentração de O2 e elevada concentração de CO2 é na respiração, em nível do ciclo dos ácidos tricarboxílicos e na cadeia transportadora de elétrons, além de afetar a síntese e a atividade de enzimas. Para a conservação de frutas, por exemplo, a concentração adequada de cada gás varia de acordo com a espécie e o produto armazenado, mas geralmente o O2 é reduzido de 20,9% (concentração normal da atmosfera) a valores entre 1% e 3% e o CO2 elevado de 0,03% (normal da atmosfera) a níveis entre 2% e 20% (Brackmann 2007Brackmann, A. 2007. Uso da atmosfera controlada é recente no Brasil. Visão Agrícola: 50-52.). Em sementes, trabalhos realizados com arroz (Oryza sativa L.) e feijão (Phaseolus vulgaris L.), por exemplo, tem demonstrado algum controle na respiração quando as concentrações de O2 e CO2 são alteradas (Aguiar et al. 2015Aguiar, R.W.S., Brito, D.R., Lopes, M.M., Silva, R.R., Fidelis, R.R., Sousa, C.M. & Santos, G.R. 2015. Effect of carbon dioxide on quality of rice seeds. Bioscience Journal 31: 1413-1422., Coelho et al. 2020Coelho, S.R.M., Alves Filho, E.G., Silva, L.M.A., Bischoff, T.Z., Ribeiro, P.R.V., Zocolo, G.J., Canuto, K.M., Bassinello, P.Z. & Brito, E.S. 2020. NMR and LC-MS assessment of compound variability of common bean (Phaseolus vulgaris) stored under controlled atmosphere. LWT - Food Science and Technology 117: 108673.). Contudo, na maioria das vezes o objetivo é o controle de insetos e microrganismos (Jayas & Jeyamkondan 2002Jayas, D.S., Jeyamkondan. S. 2002. Modified atmosphere storage of grains meats fruits and vegetables. Biosystems Engineering 82: 235-251.), e não propriamente as taxas respiratórias das sementes.

Apesar dos diversos estudos quanto ao armazenamento de produtos vegetais sob atmosfera controlada, inclusive sementes, frequentemente os materiais são colocados em atmosfera já modificada. Pouco se conhece quanto às mudanças nas taxas respiratórias das sementes à medida em que a concentração de CO2 é progressivamente aumentada, e/ou a de O2 é reduzida, seja pela adição/remoção do gás ou como resultado da própria respiração das sementes. Isso dificulta diretamente dois aspectos importantes na conservação das sementes: a análise das alterações metabólicas durante o armazenamento e o desenvolvimento de tecnologia que permita monitorar as alterações nas taxas metabólicas durante a incubação das sementes sob diferentes condições.

Em relação ao primeiro aspecto, deve-se lembrar que sementes da maioria das espécies agrícolas são tolerantes à dessecação e, por isso, podem ser armazenadas com teor de água bastante reduzido, frequentemente abaixo de 10%. Nessa condição, o metabolismo é quase inexistente, bem como a respiração e, dessa forma, há muito pouca redução na viabilidade das sementes (Alpert 2005Alpert, P. 2005. The limits and frontiers of desiccation-tolerant life. Integrative and Comparative Biology 45: 685-695., Barbedo et al. 2013Barbedo, C.J., Centeno, D.C. & Figueiredo-Ribeiro, R.C.L. 2013. Do recalcitrant seeds really exist? Hoehnea 40: 583-593.). Contudo, para as sementes sensíveis à dessecação essa respiração torna-se um dos principais fatores a ser controlado (Ibrahim et al. 1983Ibrahim, A.E., Roberts, E.H. & Murdoch, A.J. 1983. Viability of lettuce seeds II. Survival and oxygen uptake in osmotically controlled storage. Journal of Experimental Botany 34: 631-640., Walters et al. 2001Walters, C., Pammenter, N.W., Berjak, P. & Crane, J. 2001. Desiccatino damage, accelerated ageing and respiration in desiccation tolerance and sensitive seeds. Seed Science Research 11: 135-148.). Em relação ao segundo, quando se pretende analisar as taxas respiratórias das sementes sob diferentes condições, a alteração que a própria respiração das sementes pode promover na atmosfera da incubação pode alterar seu padrão respiratório e, até o momento, pouco se sabe sobre os limites (ou seja, as concentrações de O2 e CO2) até os quais esse padrão não é afetado, prejudicando a correta interpretação dos resultados específicos de cada tratamento.

Eugenia brasiliensis Lam., a grumixameira, produz sementes sensíveis à dessecação (recalcitrantes), com capacidade de armazenamento de cerca de 6 meses (Kohama et al. 2006Kohama, S., Maluf, A.M., Bilia, D.A.C. & Barbedo, C.J. 2006. Secagem e armazenamento de sementes de Eugenia brasiliensis Lam. (grumixameira). Revista Brasileira de Sementes 28: 72-78., Delgado & Barbedo 2007Delgado, L.F., Barbedo, C.J. 2007. Tolerância à dessecação de sementes de espécies de Eugenia. Pesquisa Agropecuária Brasileira 42: 265-272.) e produz frutos de sabor agradável que podem ser consumidos in natura ou na forma de conservas e doces, embora ainda não sejam explorados comercialmente. Apresenta-se, portanto, como interessante material vegetal para o estudo das taxas respiratórias durante seu armazenamento, podendo auxiliar na busca por uma possível alternativa para o controle do metabolismo das sementes recalcitrantes pela modificação da atmosfera em que são armazenadas. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da alteração das concentrações de O2 e CO2 na inibição do metabolismo respiratório das sementes de Eugenia brasiliensis Lam.

Material e métodos

Obtenção do material vegetal - frutos de Eugenia brasiliensis Lam. foram coletados de três matrizes do Jardim Botânico de São Paulo (23°38’21,2”S, 46°37’37,1”W, altitude 785 m, clima Cwb) imediatamente após sua queda natural (menos de 24 horas), e levados ao Laboratório de Sementes do Instituto de Botânica para extração, beneficiamento e lavagem das sementes em água corrente. Apenas frutos com características típicas de completo amadurecimento para a espécie foram utilizados. Após a secagem superficial das sementes, estas foram acondicionadas em saco plástico perfurado com agulha e colocadas em geladeira a 8 °C (Kohama et al. 2006Kohama, S., Maluf, A.M., Bilia, D.A.C. & Barbedo, C.J. 2006. Secagem e armazenamento de sementes de Eugenia brasiliensis Lam. (grumixameira). Revista Brasileira de Sementes 28: 72-78.) até o início dos experimentos, não ultrapassando 15 dias.

Avaliações físicas e fisiológicas - Inicialmente, as sementes foram caracterizadas quanto ao teor de água, conteúdo de massa seca e germinação. O teor de água e o conteúdo de massa seca foram determinados gravimetricamente pelo método de estufa com circulação de ar forçada regulada a 103 ± 1 °C por 17 horas (Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento 2009Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento. 2009. Regras para análise de sementes. Secretaria de Defesa Agropecuária, Brasília.). Foram utilizadas quatro repetições de 10 sementes cada e os resultados foram expressos em porcentagem (base úmida) para o teor de água e em g . semente-1 para o conteúdo de massa seca.

O teste de germinação foi realizado em caixas plásticas tipo Gerbox® com 200 ml de vermiculita saturada com água (sem posteriores reposições) e utilizadas quatro repetições de 10 sementes cada. O material foi acondicionado em sala de germinação com temperatura constante de 25 °C, umidade relativa do ar de 90% e luz continua. Os resultados foram expressos em porcentagem de sementes com protrusão de raiz primária de pelo menos 5 mm de comprimento (Delgado & Barbedo 2007Delgado, L.F., Barbedo, C.J. 2007. Tolerância à dessecação de sementes de espécies de Eugenia. Pesquisa Agropecuária Brasileira 42: 265-272.).

Para avaliar o consumo de O2 e a liberação de CO2 pelas sementes, estas tiveram sua massa fresca e volume medidos e em seguida foram colocadas em respirômetros (frascos de 600 mL com fechamento hermético e tampa perfurada, recoberta por septo, por onde se fez a coleta da amostra de ar - figura 1), iniciando o experimento assim que os frascos foram fechados, assumindo uma composição atmosférica de 20,9% de O2 e 0,03% de CO2 (Lamarca & Barbedo 2012Lamarca, E.V. & Barbedo, C.J. 2012. Short storability of Caesalpinia echinata Lam. seeds as a consequence of oxidative processes. Hoehnea 39: 577-586., Bonjovani & Barbedo 2019Bonjovani, M.R. & Barbedo, C.J. 2019. Respiration and deterioration of Inga vera ssp. affinis embryos stored at different temperatures. Journal of Seed Science 41: 44-53.). As amostras de ar foram avaliadas em analisador de gases Modelo 6600 (Illinois Instruments, Inc., Johnsburg, USA) e o consumo de O2 e a liberação de CO2 foi calculado pela diferença entre os valores medidos pelo analisador e os valores da atmosfera inicial. Quando necessário, os resultados foram convertidos para μmols de O2 e CO2 pela equação de Clapeyron e expressos em µmol . g massa fresca-1 . hora-1 (adaptando-se metodologia descrita em Lamarca & Barbedo 2012Lamarca, E.V. & Barbedo, C.J. 2012. Short storability of Caesalpinia echinata Lam. seeds as a consequence of oxidative processes. Hoehnea 39: 577-586. e Bonjovani & Barbedo 2019Bonjovani, M.R. & Barbedo, C.J. 2019. Respiration and deterioration of Inga vera ssp. affinis embryos stored at different temperatures. Journal of Seed Science 41: 44-53.). O quociente respiratório (QR) também foi calculado dividindo a quantidade de CO2 produzido pela de O2 consumido (Kader & Saltveit 2003Kader, A.A. & Saltveit, M.E. 2003. Respiration and gas exchange. In: J.A. Bartz & J.K. Brecht (eds.). Postharvest physiology and pathology of vegetables. 2 ed. Marcel Deckker, New York, pp. 7-29.).

Figura 1
Respirômetro utilizado para análise de consumo de O2 e liberação de CO2 por de sementes de Eugenia brasiliensis Lam. a. Respirômetro - frascos de vidro de 600 mL com fechamento hermético e sementes em seu interior. b. Furos na tampa do frasco para coleta de amostra de ar. c. Septo de borracha para impedir trocas gasosas. d. Coleta da amostra de ar por agulha conectada diretamente ao tubo do aparelho analisador.

Figure 1. Respirometer used for analysis of O2 consumption and CO2 release by Eugenia brasiliensis Lam. seeds. a. Respirometer - 600 mL glass vials with airtight closure and seeds inside. b. Holes in the bottle cap for collecting air samples. c. Rubber septum to prevent gas Exchange. d. Air sample collection by needle connected directly to the analyzer device tube.


Incubação das sementes nos respirômetros com atmosfera modificada - para analisar a atividade respiratória das sementes em atmosfera modificada, almejou-se obter concentrações de 0,03% (controle), 1,0%, 1,5%, 2,0%, 2,5% e 3,5% de CO2, em volume, por injeção direta de CO2 (obtido por expiração humana natural) nos respirômetros de 600 mL, com imediato fechamento hermético. Após a injeção de CO2, e fechamento hermético dos respirômetros, as concentrações de O2 e CO2 foram novamente avaliadas, conforme descrito anteriormente, obtendo-se os valores apresentados na tabela 1, que ficaram muito próximos aos almejados e passaram a ser os reais tratamentos. Os respirômetros foram, então, colocados a 25 °C, na ausência de luz.

As avaliações das taxas respiratórias das sementes incubadas nas diferentes atmosferas foram realizadas após 17 e 41 horas. Após esse período os frascos foram abertos por alguns minutos para recompor a atmosfera normal de 20,9% de O2 e 0,03% de CO2 e novamente fechados, incubados a 25 °C e avaliados após 24 horas para verificar as taxas respiratórias dessas sementes após a incubação em diferentes concentrações de CO2. Ao final do experimento, as sementes incubadas nas diferentes concentrações de CO2 foram avaliadas quanto ao teor de água e germinação, como descrito anteriormente, para verificar sua viabilidade final.

Tabela 1
Valores de O2 e CO2 almejados e registrados no interior dos frascos com sementes de Eugenia brasiliensis Lam.

Table 1. Targeted and recorded O2 and CO2 values inside the flasks with Eugenia brasiliensis Lam. seeds.


Delineamento experimental e análise dos dados - utilizou-se delineamento inteiramente casualizado, com fator único (concentração de CO2) e os dados foram submetidos à análise de variância (teste F, a 5%), com médias comparadas pelo teste de Tukey a 5% (Santana & Ranal 2004Santana, D.G. & Ranal, M. 2004. Análise da germinação: um enfoque estatístico. Universidade de Brasília, Brasília.).

Resultados e Discussão

As sementes coletadas estavam com 51% de água, 0,142 g semente-1 de massa seca e 100% de germinação, valores comuns para sementes consideradas recalcitrantes e relatados por diversos autores para E. brasiliensis (Delgado & Barbedo 2007Delgado, L.F., Barbedo, C.J. 2007. Tolerância à dessecação de sementes de espécies de Eugenia. Pesquisa Agropecuária Brasileira 42: 265-272., Amador & Barbedo 2015Amador, T.S. & Barbedo, C.J. 2015. Germination inhibits the growth of new roots and seedlings in Eugenia uniflora and Eugenia brasiliensis. Journal of Seed Science 37: 241-247., Inocente & Barbedo 2019Inocente, M.C. & Barbedo, C.J. 2019. Germination of Eugenia brasiliensis, E. involucrata, E. pyriformis, and E. uniflora (Myrtaceae) under water-deficit conditions. Journal of Seed Science 41: pp. 76-85.).

Após 17h de incubação em atmosfera normal, as sementes apresentaram elevado consumo de O2 (6,26% . kg massa seca-1 . hora-1) e liberação de CO2 (4,68% . kg massa seca-1 . hora-1), evidenciando sua intensa atividade metabólica (figura 2a), correspondendo, respectivamente, a 1,38 e 1,03 μmol . gMF-1 . h-1. Procedendo-se aos devidos ajustes de unidades utilizadas nos diferentes trabalhos, esses valores estão pouco abaixo dos verificados para Inga vera, entre 2 a 3 μmol . gMF-1 . h-1 (Bonjovani & Barbedo 2019Bonjovani, M.R. & Barbedo, C.J. 2019. Respiration and deterioration of Inga vera ssp. affinis embryos stored at different temperatures. Journal of Seed Science 41: 44-53., Parisi et al. 2019Parisi, J.J.D., Biagi, J.D., Barbedo, C.J. Medina, P.F., Lamarca, E.V. 2019. Respiratory rates of Inga vera Willd. subsp. affinis (DC.) T.D.Penn. seeds. Floresta e Ambiente 26: e20171033.), cujos embriões estão entre os com maior grau de recalcitrância (Bilia et al. 1998Bilia, D.A.C., Marcos Filho, J. & Novembre A.D.C.L. 1998. Conservação da qualidade fisiológica de sementes de Inga uruguensis Hook. et Arn. Revista Brasileira de Sementes 20: 48-54.), mas bem acima dos apresentados por sementes de Caesalpinia echinata, em torno de 0,2 μmol . gMF-1 . h-1 (Lamarca & Barbedo 2012Lamarca, E.V. & Barbedo, C.J. 2012. Short storability of Caesalpinia echinata Lam. seeds as a consequence of oxidative processes. Hoehnea 39: 577-586.), que são ortodoxas (Barbedo et al. 2002Barbedo, C.J., Bilia, D.A.C. & Figueiredo-Ribeiro, R.C.L. 2002. Tolerância à dessecação e armazenamento de sementes de Caesalpinia echinata Lam. (pau-brasil), espécie da Mata Atlântica. Revista Brasileira de Botânica 2: 431-439.). Considerando o conteúdo de água elevado e a temperatura de incubação dessas sementes é esperado que sua atividade respiratória seja elevada, uma vez que diversas reações metabólicas ocorrem nessas condições (Taiz et al. 2017Taiz, L., Zeiger, E., Moller, I. M. & Murphy, A. 2017. Fisiologia e desenvolvimento vegetal. 6 ed. Artmed, Porto Alegre., Barbedo et al. 2018Barbedo, C.J., Silva, J.P.N., Françoso, C.F. & Parisi, J.J.D. 2018. Armazenamento de sementes. In: Barbedo, C.J. & Santos-Junior, N.A. (eds.). Sementes do Brasil: produção e tecnologia para espécies da flora brasileira. Instituto de Botânica/SMA, São Paulo, pp. 81-108.). Quando sementes ortodoxas tem seu teor de água elevado, as taxas respiratórias também chegam a valores próximos aos obtidos para E. brasiliensis, como descrito para Phaseolus vulgaris L. (Bonjovani & Barbedo 2019Bonjovani, M.R. & Barbedo, C.J. 2019. Respiration and deterioration of Inga vera ssp. affinis embryos stored at different temperatures. Journal of Seed Science 41: 44-53.) e Caesalpinia echinata (Lamarca & Barbedo 2012Lamarca, E.V. & Barbedo, C.J. 2012. Short storability of Caesalpinia echinata Lam. seeds as a consequence of oxidative processes. Hoehnea 39: 577-586., Araujo & Barbedo 2017Araujo, A.C.F.B. & Barbedo, C.J. 2017. Changes in desiccaation tolerance and respiratory rates of immature Caesalpinia echinata Lam. seeds. Journal of Seed Science 39: 123-132.). Na atmosfera normal, o QR foi de 0,75 (figura 2b), valor que poderia indicar a utilização de ácidos graxos como substrato da respiração, uma vez que a oxidação dessas moléculas produz menos CO2 por molécula de O2 (Tcherkez et al. 2003Tcherkez, G., Nogués, S., Bleton, J., Cornic, G., Badeck, F. & Ghashghaie, J. 2003. Metabolic origin of carbon isotope composition of leaf dark-respired CO2 in French bean. Plant Physiology 131: 237-244., Taiz et al. 2017Taiz, L., Zeiger, E., Moller, I. M. & Murphy, A. 2017. Fisiologia e desenvolvimento vegetal. 6 ed. Artmed, Porto Alegre.), ou algum outro processo oxidativo diferente da respiração.

Quando se aumentou a concentração de CO2, houve declínio no consumo de O2 a partir da atmosfera com 1,9% de CO2, mas de forma mais expressiva na atmosfera com 3,7% de CO2, chegando a quase zerar o consumo de O2 (0,5% . kg massa seca-1 . hora-1, figura 2a, equivalendo a 0,3 μmol . gMF-1 . h-1). Gonzàlez-Meler et al. (1996b)Gonzàlez-Meler, M.A., Ribas-Carbo, M., Siedow, J.N. & Drake, B.G. 1996b. Direct inhibition of plant mitochondrial respiration by elevated CO2. Plant Physiology 112: 1349-1355. verificaram que, ao dobrar o CO2 atmosférico, a atividade do citocromo c oxidase e succinato desidrogenase (complexos proteicos que participam do transporte de elétrons) de mitocôndrias isoladas de cotilédones e raízes de Glicine max foi reduzida e, consequentemente, também foi reduzido seu metabolismo respiratório. Outros estudos relacionam a redução da atividade respiratória com a diminuição da concentração externa de O2 (Stiles 1960Stiles, W. 1960. The composition of the atmosphere (oxygen content of air, soil, intercellular spaces, diffusion, carbon dioxide and oxygen tension). In: W. Ruhland (ed.). Encyclopedia of Plant Physiology, Plant Respiration Inclusive Fermentations and Acid Metabolism. Springer, Heidelberg, pp. 114-148., Raymond & Pradet 1980Raymond, P. & Pradet, A. 1980. Stabilisation of the adenine nucleotide ratios at various values by an oxygen limitation in germinating lettuce (Lactuca sativa) seeds. Biochemical Journal 190: 39-44., Saglio et al. 1983Saglio, P.H., Raymond, P. & Pradet, A. 1983. Oxygen transport and root respiration of maize (Zea mays) seedlings: a quantitative approach using the correlation between ATP:ADP and the respiration rate controlled by oxygen tension. Plant Physiol 72: 1035-1039.). Estudando fatias de batata incubadas por duas horas em diferentes concentrações de O2 (diminuindo de 40% a 1%), Geigenberger et al. (2000)Geigenberger, P., Fernie, A.R., Gibon, Y., Christ, M. & Stitt, M. 2000. Metabolic activity decreases as an adaptive response to low internal oxygen in growing potato tubers. Journal of Biological Chemistry 381: 723-740. verificaram uma contínua redução do estado energético celular com a diminuição da concentração de O2, especialmente quando o O2 cai para 12% ou 8%. Além disso, essa redução também resulta na inibição de atividades biosintéticas que economiza ATP e permite a diminuição no consumo de O2 (Geigenberger 2003Geigenberger, P. 2003. Response of plant metabolism to too little oxygen. Current Opinion in Plant Biology: 247-256.).

Após as primeiras 17 horas de incubação, os valores da concentração de CO2 nos respirômetros havia subido (figura 2a). A partir desse ponto, com mais 24 horas de incubação as sementes tiveram redução ainda maior nas taxas de respiração (figura 3a) e, especialmente para as sementes incubadas inicialmente com 1,9% e 2,6%, houve mudança nos valores de QR, indicando presença de reações oxidativas não respiratórias (figura 3b), como também observado por Lamarca & Barbedo (2012)Lamarca, E.V. & Barbedo, C.J. 2012. Short storability of Caesalpinia echinata Lam. seeds as a consequence of oxidative processes. Hoehnea 39: 577-586. para sementes de Caesalpinia echinata. Surpreendentemente, porém, essas reações não foram deletérias para as sementes, pois ao final da incubação todas estavam vivas e capazes de germinar (tabela 2). Também não foi prejudicial a atmosfera com 2,6% e 3,7%, com QR acima de 1,0 (figura 3b), ou seja, quando o substrato respiratório passou a ser ácidos orgânicos, indicando que algum processo fermentativo ou respiração anaeróbica ocorreu (Taiz et al. 2017Taiz, L., Zeiger, E., Moller, I. M. & Murphy, A. 2017. Fisiologia e desenvolvimento vegetal. 6 ed. Artmed, Porto Alegre.). Nesse caso, a respiração dessas sementes pode ter sido reduzida a uma concentração crítica, resultando em respiração anaeróbica ao invés de aeróbica (Kays 1991Kays, S. J. 1991. Postharvest physiology of perishable plant products. Van Nostrand Reinhold, New York.). A redução nas taxas respiratórias com o aumento na concentração de CO2 e redução de O2 não se traduziu em perda da viabilidade das sementes, mas sim um provável estado de dormência ou hibernação, pois quando as sementes voltaram à atmosfera normal, voltaram a apresentar os níveis iniciais de respiração (figura 4a, inclusive com valores de QR mais estáveis e próximos de 1,0 (figura 4b).

No presente estudo, as sementes de E. brasiliensis incubadas na concentração mais alta de CO2 (3,7%) e mais baixa de O2 (12,0%), tiveram seu metabolismo respiratório desacelerado, indicando dois aspectos importantes: o primeiro, a perspectiva de controle do metabolismo de sementes sensíveis à dessecação, durante seu armazenamento, pelo aumento da concentração de CO2 (e/ou redução da concentração de O2); o segundo, uma maior garantia metodológica para a análise das taxas respiratórias enquanto a concentração de CO2 da atmosfera do respirômetro estiver abaixo de 1,9%, e a de O2 acima de 18%. Neste segundo aspecto, as taxas médias observadas para aumento na concentração de CO2 (0,0047% . gMF-1 . h-1) e redução de O2 (0,0063% . gMF-1 . h-1) permitiram obter uma excelente estimativa da faixa de tempo em que as sementes devem permanecer incubadas para, ao mesmo tempo em que se evita valores muito pequenos, que poderiam ser incluídos na faixa de erro de medida dos gases do equipamento, também se evita que a alteração na concentração dos gases do respirômetro cause alguma alteração significativa nas taxas respiratórias das sementes incubadas. De acordo com essas taxas, obtiveram-se duas equações:
  1. CO2,%V = 100 . (MF . t . 0,0282) . Vr-1, onde CO2,%V é a concentração final de CO2 no respirômetro, em porcentagem do volume, MF é a massa fresca em g, t é o tempo em horas e Vr é o volume do respirômetro em mL

  2. O2,%V = 100 . (MF . t . 0,0378) . Vr-1, onde O2,%V é a concentração final de O2 no respirômetro, em porcentagem do volume, MF é a massa fresca em g, t é o tempo em horas e Vr é o volume do respirômetro em mL.

Figura 2
Porcentagem de CO2 registrada no frasco de 600 mL (a, barras verdes), consumo de O2 (a, barras pretas) e liberação de CO2 (a, barras cinzas) registrados nesse mesmo frasco e quociente respiratório (b) das sementes de Eugenia brasiliensis Lam. incubadas a 25 °C por 17 horas em atmosferas com diferentes concentrações de CO2. Médias seguidas da mesma letra não diferem estatisticamente, de acordo com o teste de Tukey ao nível de 5%.
Tabela 2
Teor de água (%) e germinação (%) de sementes de Eugenia brasiliensis Lam. após o período de incubação a 25 °C em diferentes atmosferas.

Table 2. Water content (%) and germination (%) of Eugenia brasiliensis Lam. seeds after incubation at 25 °C and diferent atmosferes.


Figura 3
Porcentagem de CO2 registrada no frasco de 600 mL (a, barras verdes), consumo de O2 (a, barras pretas) e liberação de CO2 (a, barras cinzas) registrados nesse mesmo frasco e quociente respiratório (b) das sementes de Eugenia brasiliensis Lam. incubadas a 25 °C por 41 horas em atmosferas com diferentes concentrações de CO2. Médias seguidas da mesma letra não diferem estatisticamente, de acordo com o teste de Tukey ao nível de 5%.

Figure 3. Percentage of CO2 recorded in the 600 mL flask (a, green bars), consumption of O2 (a, black bars) and CO2 release (a, gray bars) recorded in that same flask and respiratory quotient (b) of Eugenia brasiliensis Lam. seeds incubated at 25 °C for 41 hours in atmospheres with different concentrations of CO2. Means followed by the same letter do not differ statistically, according to the Tukey test at the 5% level.


De acordo com essas equações, algumas simulações podem ser feitas, como as da tabela 3. Se, por exemplo, se for analisar as taxas respiratórias de sementes de E. brasiliensis, colocando-se 10 sementes em um respirômetro com capacidade para 500 a 1.000 mL, a 25 °C, pode-se incubá-las por 72 horas, evitando-se a margem de erro do equipamento mas garantindo que não haverá alteração no padrão respiratório das sementes. Já em um respirômetro de 100 mL deve-se incubar por apenas 24 horas. Aumentando-se o número de sementes para 20, as 72 horas de incubação somente seria possível se se utilizar respirômetro de 1.000 mL. Pela tabela 3 pode-se verificar diferentes situações para escolha do melhor modelo de análise das taxas respiratórias, mas é possível construir mais modelos, inclusive variando-se a temperatura. Com isso pode-se ter maior confiabilidade nos resultados e na metodologia adotada para estudos de respiração de sementes.

A atmosfera modificada com altas pressões parciais de CO2 já é muito utilizada para a conservação de frutos como maçã, pêssego e caqui, diminuindo taxas respiratórias, retardando processos de maturação e o consumo de reservas durante o armazenamento (Donazzolo & Brackmann 2002Donazzolo, J & Brackmann, A. 2002. Efeito do co2 em atmosfera controlada na qualidade de caqui (Diospyros kaki, L.) cv. Fuyu. Revista Brasileira de Agrociência 8: 241-245., Jayas & Jayamkondan 2002Jayas, D.S., Jeyamkondan. S. 2002. Modified atmosphere storage of grains meats fruits and vegetables. Biosystems Engineering 82: 235-251., Nava & Brackmann 2002). No armazenamento de sementes, a adição de CO2 é usada, principalmente, por possuir um efeito tóxico na maioria dos organismos presentes nas sementes (Cirio & Lima 2003Cirio, G.M. & Lima, M.L.R.Z.C. 2003. Métodos de detecção do gênero Aspergillus em sementes de milho (Zea mays L.) em 270 dias de armazenamento. Visão Acadêmica 4: 19-23., Zardetto 2005Zardetto, S. 2005. Effect of modified atmosphere packaging at abuse temperature on the growth of Penicillium aurantiogriseum isolated from fresh filled pasta. Food Microbiology 22: 367-371., Aguiar et al. 2010Aguiar, R.W.S., Faroni, L.D’A., Guedes, R.N.C., Sousa, A.H. & Rosado, A.F. 2010. Toxicidade da combinação de dióxido de carbono e fosfina sob diferentes temperaturas para Tribolium castaneum. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, v. 14, n. 08, pp. 32-129.), além de ser eficiente na manutenção do vigor e longevidade das sementes durante o armazenamento (Aguiar et al. 2012Aguiar, R.W.S., Brito, D.R., Ootani, M.A., Fidelis, R.R. & Peluzio, J. N. 2012. Efeito do dióxido do carbono, temperatura e armazenamento sobre sementes de soja e micoflora associada. Revista Ciência Agronômica 43: 554-560.). No presente trabalho se verificou que em atmosferas com concentração de CO2 entre 1,9% e 3,7% é possível diminuir o metabolismo respiratório das sementes de Eugenia brasiliensis. Isso pode trazer importante contribuição para o desenvolvimento de tecnologia que permita armazenar sementes recalcitrantes por longos períodos que, atualmente, é o maior desafio para os profissionais da conservação de sementes em bancos de germoplasma.

Figura 4
Porcentagem de CO2 registrada no frasco de 600 mL (a, barras verdes), consumo de O2 (a, barras pretas) e liberação de CO2 (a, barras cinzas) registrados nesse mesmo frasco e quociente respiratório (b) das sementes de Eugenia brasiliensis Lam. incubadas a 25 °C por 24 horas após reabertura dos frascos para normalizar a atmosfera. Médias seguidas da mesma letra não diferem estatisticamente, de acordo com o teste de Tukey ao nível de 5%.

Figure 4. Percentage of CO2 recorded in the 600 mL flask (a, green bars), consumption of O2 (a, black bars) and CO2 release (a, gray bars) recorded in that same flask and respiratory quotient (b) of Eugenia brasiliensis Lam. seeds incubated at 25 °C for 24 hours after falsk reopening to normalize its atmosphere. Means followed by the same letter do not differ statistically, according to the Tukey test at the 5% level.


Tabela 3
Simulações de alteração nas concentrações de O2 e CO2 em frascos fechados hermeticamente conforme a massa de sementes de Eugenia brasiliensis Lam. e o período de incubação a 25 °C.

Table 3. Simulations of changes in the concentrations of O2 and CO2 into hermetically sealed flasks according to the mass of Eugenia brasiliensis Lam. seeds and the incubation period at 25 °C.


Agradecimentos

Ao Instituto de Botânica, pela permissão para as coletas; ao Programa de Pós-graduação em Biodiversidade Vegetal e Meio Ambiente do Instituto de Botânica, pela oportunidade do curso de mestrado da primeira autora; à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, (CAPES), pela bolsa de mestrado concedida á primeira autora; à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), pelo apoio financeiro (Processo 2017/50341-0).

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Editado por

Editor Associado: Nelson Augusto dos Santos Jr.

Datas de Publicação

  • Publicação nesta coleção
    22 Nov 2021
  • Data do Fascículo
    2021

Histórico

  • Recebido
    20 Jan 2020
  • Aceito
    13 Out 2020
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