Biodiversidade 7 de dezembro de 2022, 17:48 07/12/2022

Como as plantas lidam com os dias secos? 

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Jovens revisores

Resumo

As plantas regularmente enfrentam tempo seco. A carência de água em quantidade suficiente representa uma ameaça à capacidade para que a planta se desenvolva. Se as plantas morrerem, não teremos alimento suficiente para comer! Como as plantas conseguem sobreviver durante o período de escassez de água? De alguma forma, elas devem ter a capacidade de se adaptar às mudanças na disponibilidade de água. As complexas respostas à falta de água podem incluir alterações em seu crescimento e em sua capacidade de se proteger contra substâncias químicas tóxicas que se acumulam nelas durante os períodos de seca. Todas as respostas da planta são diretamente controladas por seus genes. Se pudermos entender os genes envolvidos na proteção das plantas contra a seca, no futuro conseguiremos obter culturas geneticamente modificadas que consigam tolerar o aquecimento global e as mudanças climáticas.

Você já ouviu pessoas falando sobre aquecimento global e mudança climática? Sabe o que esses termos significam? Basicamente, que a Terra está ficando mais quente a cada ano. Temperaturas mais altas levam a padrões climáticos inesperados e incomuns. Um desses padrões climáticos extremos são as secas frequentes e rigorosas. As secas são períodos secos muito longos, sem nenhuma chuva.

O que as secas rigorosas significam para as plantas? Bem, as plantas são sésseis, isto é, ficam em um lugar e não se movem como nós. Não podem arrancar suas raízes e se mudar para um local com sombra ou umidade. Portanto, as plantas de alguma forma precisam enfrentar essas condições de seca cada vez mais comuns ou simplesmente morrerão. Lembre-se, as plantas são nossa comida. Nós comemos plantas cruas ou cozidas (aqueles legumes e verduras que sua mãe quer de todo jeito que você coma!) ou processadas, como seu cereal matinal favorito (que é feito de trigo ou milho). Assim, se as plantas morrerem por causa da seca, não teremos comida suficiente na mesa! 

Se não houver água nos arredores, o que as plantas podem fazer para sobreviver? Surpreendentemente, todas as plantas parecem ter vários genes especializados em estratégias de defesa contra a seca codificados em seu DNA. Os genes são pequenas seções de DNA, algo como os capítulos de um livro. O modo como elas usam esses genes determina sua capacidade para sobreviver à seca. 

Algumas plantas são naturalmente resistentes à seca. Quando dizemos isso, referimo-nos àquelas que podem suportar condições de escassez de água sem morrer. Uma planta resistente à seca pode sobreviver usando três estratégias de defesa: escapar, evitar ou tolerar (a perda de água) [1]. Plantas tolerantes à seca são bastante raras na natureza e podem suportar longos períodos sem água. Algumas das mais espetaculares são chamadas de plantas de ressurreição. As plantas de ressurreição podem sobreviver por longos períodos (até três anos!) sem nenhuma água. No entanto, dê-lhes algumas gotas e elas voltarão à vida em um ou dois dias. Outras plantas resistentes à seca talvez não sejam tão espetaculares, mas também sobrevivem a curtos períodos de seca usando técnicas especiais e estratégias de defesa. 

Algumas plantas têm estruturas especiais que as ajudam a sobreviver em condições de seca

Algumas plantas são capazes de sobreviver às secas por causa de suas estruturas únicas. Essas características estruturais incluem a armadura externa, que as protege contra a perda de água, e ferramentas que as ajudam a absorver e armazenar água. As plantas resistentes à seca são especialmente adaptadas para viver e sobreviver em ambientes muito secos. 

Essas plantas parecem, em geral, bem diferentes das que vivem em áreas onde a água está disponível com facilidade. As plantas resistentes à seca, normalmente, têm características especiais de “evitação” (uma das adaptações de defesa!) para garantir que percam menos água para o meio ambiente, ou para expandir a absorção e o armazenamento de água.

As plantas chamadas suculentas do deserto são um bom exemplo do uso de estratégias para evitar a seca [2]. As suculentas do deserto têm folhas carnudas grossas, que muitas vezes nem se assemelham a folhas, e uma espessa camada cerosa para evitar a perda de água. Possuem também extensos sistemas radiculares que procuram água sob o solo seco do deserto (Figura 1). Algumas suculentas têm raízes especializadas que formam grandes estruturas de bulbos, os quais são, por assim dizer, seus reservatórios de água subterrâneos. Essas plantas podem sobreviver a anos de seca usando a água armazenada nos bulbos. 

Figura 1 – Adaptações estruturais extremas encontradas em plantas para combater a desidratação e armazenar mais água. 

A maior parte da água que uma planta perde é devida a um processo natural chamado transpiração. As plantas têm pequenos poros (buracos ou aberturas) na parte inferior de suas folhas, chamados estômatos. As plantas absorvem água por suas raízes e a liberam como vapor no ar através desses estômatos. Para sobreviver em condições secas, elas precisam diminuir a transpiração a fim de limitar a perda de água.

Algumas plantas que vivem em condições secas evoluíram para ter folhas menores e, portanto, menos estômatos. Exemplos extremos são plantas com folhas que se assemelham a espinhos pontiagudos. Algumas também podem perder completamente suas folhas em uma seca, para evitar a desidratação. A regra básica é que menos folhas significam menos perda de água por transpiração. Essas extremas adaptações foliares podem também proteger as plantas de pássaros e animais famintos ou sedentos (Figura 1). Você certamente não gostaria de ter uma refeição com espinhos! 

Algumas adaptações são bastante inteligentes e caracterizam plantas que “fogem” da seca sob a forma de sementes (lembre-se, a fuga é outra estratégia de defesa). As sementes sobrevivem durante os períodos de seca, e quando as chuvas caem elas germinam muito rapidamente (brotam), crescem e produzem mais sementes. Essas sementes então se espalham e também podem sobreviver por longos períodos de tempo a condições extremas e rigorosas. Se olhar atentamente para o solo do deserto, você encontrará lá muitas sementes, que estão apenas esperando a chuva para germinar novamente. 

Algumas plantas possuem também defesas internas contra a seca

Além das estruturas especiais, as plantas também possuem defesas internas para protegê-las contra a escassez de água. Quando uma planta enfrenta condições de seca, algumas reações acontecem rapidamente dentro dela para ajudá-la a resistir a essas condições. Essas reações que ocorrem na planta costumam ser bastante complexas e sofisticadas. Daremos alguns exemplos. 

As plantas continuam precisando fazer fotossíntese durante a seca 

As plantas são verdes porque contém uma substância química com essa cor chamada clorofila. A clorofila é acondicionada em estruturas especiais, os cloroplastos, que são as fábricas de energia das plantas. Juntamente com a água e o dióxido de carbono (CO2), a clorofila usa a luz do sol para criar açúcares. Esses açúcares permitem à planta crescer e florescer. Temos aí o processo de fotossíntese, ligado à disponibilidade de água. 

Quando não há muita água no solo da planta, o processo de fotossíntese acontece de maneira um pouco diferente e resulta no acúmulo de substâncias químicas nocivas chamadas radicais livres. Isso significa que as plantas precisam controlar cuidadosamente o modo como usam a energia do sol. Durante a fotossíntese, o CO2 deve entrar na planta pelos estômatos (os pequenos poros mencionados anteriormente). Mas lembre-se, estômatos abertos provocarão a perda de água por meio da transpiração! Assim, a planta se depara com o difícil problema de garantir uma provisão suficiente tanto de água quanto de CO2, do contrário não haverá fotossíntese. Para conseguir isso, contrata um “gerente” chamado ácido abscísico (ABA). 

Quando uma planta enfrenta escassez de água, o ABA é rapidamente produzido e transportado para os estômatos, cuja abertura e fechamento ele controla manipulando algo chamado pressão de turgescência (Figura 2) [3]. A pressão de turgescência é a pressão aplicada na parede da célula da planta por fluidos que estão dentro dela. Quanto mais água houver na célula (quanto mais cheia ela estiver), maior será a pressão. O gerenciamento da pressão de turgescência proporciona um equilíbrio entre a ingestão de CO2 e a perda de água, para que a fotossíntese possa ocorrer. Mas se a água permanecer reduzida em condições de seca, por fim a planta será incapaz de combater o estresse da escassez e todo o processo fotossintético parará de funcionar corretamente.

No entanto, as plantas resistentes à seca descobriram uma maneira inteligente de evitar o problema da perda de água durante a fotossíntese. Elas só abrem seus estômatos durante o frescor da noite para absorver CO2. Armazenam então esse CO2 e o utilizam durante o dia para a fotossíntese. Desse modo, perdem menos água durante o dia porque podem manter os estômatos fechados, mas continuam crescendo – embora um pouco mais lentamente que o normal. 

Figura 2 – Defesas internas das plantas sob o estresse hídrico. (A). Quando há abundância de água no solo, as plantas a absorvem por meio de suas raízes. Essa água será utilizada pela planta ou liberada pela transpiração através dos estômatos abertos nas folhas. A fotossíntese também ocorrerá normalmente com CO2 e oxigênio sendo absorvidos e liberados pelos estômatos abertos. (B). Mas quando há pouca água no solo, as plantas tentam evitar sua perda. A perda de água por meio da transpiração pode ser reduzida pelo fechamento dos estômatos nas folhas, graças a uma substância chamada ABA. Quando os estômatos estão fechados, a fotossíntese diminui porque nenhum CO2 pode entrar por eles. Menos fotossíntese significa menos energia produzida pela planta, que para de crescer. 

As plantas precisam se proteger de radicais livres perigosos 

Em condições de seca, quando uma planta não consegue equilibrar bem a fotossíntese e a perda de água, terá de lidar com pequenas moléculas desagradáveis chamadas radicais livres. Os radicais livres surgem naturalmente durante a fotossíntese, mas, quando não há muita água disponível, mais radicais livres se formam. Os radicais livres são muito perigosos para a célula porque podem causar danos ao DNA, às membranas celulares, às proteínas e aos açúcares (e todas essas substâncias são essenciais para a sobrevivência de uma célula)! 

As plantas em geral estão acostumadas a lidar com uma quantidade pequena de radicais livres. No entanto, as que toleram a seca se saem realmente bem contra eles porque acumulam substâncias protetoras, chamadas de varredoras de radicais livres. A presença de varredoras de radicais livres causa frequentemente uma mudança na cor da planta, que às vezes fica vermelha ou roxa quando essas varredoras se acumulam (veja as folhas roxas da planta seca na Figura 3B). As varredoras de radicais livres, que ocorrem amplamente na natureza, são muito boas para eliminar os radicais livres e, assim, proteger as plantas de seus efeitos nocivos. 

Figura 3 – Uma planta de ressurreição, Craterostigma pumilum. (A). Esse é o aspecto da planta quando está crescendo e há água suficiente. (B). Nas duas figuras do meio podemos vê-la quando não há água disponível, após três semanas sem ser regada. Você não  acha que ela tem  um aspecto morto? (C) Se a mesma planta seca e aparentemente morta for regada, após duas semanas ela se recupera e começa a produzir sementes. 

As plantas precisam controlar a quantidade de água dentro de suas células 

O conceito de osmose é importante em biologia. Basicamente, é o movimento da água passando através de uma membrana (como a celular) até uma área onde estão certas moléculas (como sal, açúcares e radicais livres) em concentrações maiores. Ao fazer isso, a água dilui a concentração dessas moléculas para que atinjam uma concentração igual em ambos os lados da membrana. Agora pense no que acontece com uma planta que sofre com a perda de água. Não há água suficiente para permitir que a osmose ocorra, então as moléculas ficam superconcentradas dentro das células da planta. Isso, em geral, não é uma boa coisa, sobretudo se as tais moléculas são radicais livres. 

Mais uma vez, as plantas tolerantes à seca têm algumas estratégias muito eficazes para enfrentar esse problema. Aos primeiros sinais de seca, as células dessas plantas vão acumulando um monte de moléculas envolvidas naquilo que é chamado de ajuste osmótico (AO) [3]. O ajuste osmótico é a mudança na concentração de soluto em uma célula. Ocorre o mesmo quando se dissolve açúcar em água, num processo onde o açúcar é o soluto. Essas moléculas (solutos) podem ser açúcares, aminoácidos ou pequenas proteínas. O propósito dessas moléculas é limitar o movimento da água para fora da célula.

O que as torna únicas na tolerância à seca é o fato de desempenharem muitas funções. As moléculas de AO podem se ligar fisicamente ao DNA e às proteínas para protegê-los dos radicais livres. Podem também se ligar à própria água, impedindo-a de sair das células da planta. Ligam-se também às membranas, estabilizando a estrutura da planta quando a água é restrita. 

As plantas de ressurreição são exemplos perfeitos de como as plantas tolerantes à seca reúnem os conceitos que discutimos até agora. As plantas de ressurreição são capazes de sobreviver à ausência completa de água. Elas acumulam grandes quantidades de AOs, liberam substâncias varredoras de radicais livres e produzem proteínas protetoras especiais para sobreviver a secas longas e rigorosas. Fazem tudo isso dobrando as folhas e esperando a chuva cair (Figura 3). O processo pode ser comparado a ursos entrando em hibernação. 

Os genes da planta controlam suas respostas à seca 

Tenha em mente que discutimos os processos usados para proteger as plantas da seca de uma maneira muito simplificada. Observá-los de perto é realmente muito complicado. No nível mais básico, eles são regulados pelo uso que a planta faz de seu código genético – seus genes. As substâncias necessárias para sobreviver à seca são produzidas quando ela acessa esse código no momento certo. O acesso ao código genético para ajudá-la a sobreviver à seca é chamado de resposta genética da planta. 

As respostas genéticas de uma planta que sofre o estresse de uma seca são muito complexas – vários genes são ativados ou desativados. Usando tecnologias avançadas de computador, os cientistas já conseguem identificar a maioria dos genes que desempenham um papel na proteção da planta contra a seca. Essa tecnologia descobriu que, dependendo de onde e quando é necessário, literalmente centenas de genes são ligados e desligados! Não podemos listar todos porque você ficaria tremendamente entediado no final da primeira página! Só diremos que esses genes se dividem principalmente em três grupos: (1) genes que controlam outros genes importantes para ligar e desligar genes; (2) genes produtores de substâncias que ajudam na proteção da planta contra a seca e (3) genes envolvidos na absorção e transporte de água. 

Por que você acha que é importante saber quais genes ajudam as plantas a evitar ou a tolerar a seca? A maioria de nossas colheitas não é capaz de sobreviver às secas. Como vamos proteger nossas plantações ou torná-las mais resistentes à carência de água? Precisamos usar o conhecimento dos genes que são ligados ou desligados durante as condições de seca para produzir plantas capazes de resistir a esse fenômeno. 

Ao longo dos anos, os cientistas que se ocupam de plantas tiveram algum sucesso na produção de culturas resistentes à seca. Essas culturas foram obtidas principalmente pela seleção e reprodução de plantas individuais que sobreviveram bem em condições de seca. Nas últimas décadas, os cientistas que trabalham com plantas geneticamente modificadas (GM) também começaram a se concentrar na produção de culturas resistentes à seca [4]. 

Para produzir uma planta GM, um novo gene (de qualquer fonte!) é inserido dentro de seu DNA. Ao fazer isso, o cientista espera introduzir também uma nova característica útil na planta GM. Imagine poder escolher entre centenas de genes úteis em uma planta de ressurreição e introduzir alguns deles no trigo! Infelizmente, apenas um punhado de plantas GM resistentes à seca (tais como o milho e a cana-de-açúcar) tem sido produzido com sucesso. Muito mais trabalho precisa ser feito, inclusive convencer o público em geral de que plantas GM não são perigosas! 

Conclusão

As plantas são realmente vulneráveis quando enfrentam escassez de água. A seca influencia seu crescimento, desenvolvimento, produtividade e em última análise sua sobrevivência. Contudo, elas contam com algumas defesas internas contra a seca. Podem apresentar algumas adaptações estruturais para evitar ou tolerar a desidratação. Também têm algumas defesas internas que são ativadas para tentarem limitar a perda de água quando percebem que esta vai se tornando escassa. Todos esses sistemas de defesa são regulados pelos genes das plantas. O conhecimento desses genes, e de como colaboram para a proteção da planta contra a falta de água, dá à humanidade a esperança de produzir culturas GM resistentes à seca. 

Glossário 

Séssil: Organismo que não pode se mover e fica em um só lugar, como uma planta. 

Suculentas: Plantas que possuem folhas e caules grossos e carnudos, nos quais a água pode ser armazenada. 

Transpiração: Processo pelo qual as raízes das plantas absorvem água e liberam vapor de água através dos poros (estômatos) localizados nas folhas. 

Estômatos: Pequenos orifícios na superfície inferior de uma folha através dos quais a água e o gás podem entrar e sair de uma planta. 

Fotossíntese: Processo pelo qual as plantas usam água, luz e gás carbônico para produzir sua própria comida (na forma de açúcares) e liberar o oxigênio no ar. 

Radicais livres: Moléculas que reagem a qualquer coisa com que entrem em contato, danificando-a. 

ABA: Hormônio vegetal, chamado ácido abscísico, que ajuda a estabelecer o equilíbrio de água nas plantas. 

Pressão de turgescência: Tensão exercida em uma parede celular vegetal pelos fluidos existentes dentro da célula. Imagine encher um balão que você colocou dentro de uma jarra de vidro. À medida que você enche mais o balão, ele pressiona o vidro rígido, tal como os fluidos contra a parede celular rígida da planta. 

Osmose: Passagem da água, através de uma membrana celular, de uma célula para outra. Para quê? Para garantir concentrações iguais de solutos em ambos os lados da membrana. 

Ajuste osmótico: Alteração da concentração de solutos em uma célula vegetal. 

Soluto: Substância (como o açúcar) que se dissolve em uma solução (como a água). 

Agradecimentos

As figuras foram criadas na plataforma Mind the Graph (www.mindthegraph.com). 

Referências

[1] Basu, S., Ramegowda, V., Kumar, A. e Pereira, A. 2016. “Plant adaptation to drought stress.” F1000Res 5 (F1000 Faculty Rev.): 1554. DOI: 10.12688/f1000research.7678.1. 

[2] Dimmitt, M. A. 1997. “How plants cope with the desert climate.” Sonorensis, v.17. Disponível em:

http://www.desertmuseum.org/programs/succulents_adaptation.php. 

[3] Osakabe, Y., Osakabe, K., Shinozaki, K. e Lam-Son, T. 2014. “Response of plants to water stress.” Front. Plant Sci. 5 (86): 1–8. DOI: 10.3389/fpls.2014.00086. 

[4] Blum, A. 2014. “Genomics for drought resistance – getting down to earth.” Funct. Plant Biol. 41:1191–8. DOI: 10.1071/FP14018. 

Citação

Van der Vyver C. e Peters, S. (2017) “How do plants deal with dry days?”. Front. Young Minds. 5:58. DOI: 10.3389/frym.2017.00058. 

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