ESTADOS ENERGÉTICOS E TIPOS DE ÁGUA NA SEMENTE
79
ESTADOS ENERGÉTICOS E TIPOS DE ÁGUA NA SEMENTE1
FRANCISCO AMARAL VILLELA2 e JÚLIO MARCOS-FILHO3
RESUMO - O estado da água apresenta papel fundamental nos diferentes estádios de desenvolvimento e na germinação da semente. O presente trabalho interpreta, a partir dos Princípios da Termodinâmica,
os conceitos de potenciais hídrico, de pressão, osmótico e matricial na semente. Conforme suas propriedades termodinâmicas são descritos os diferentes tipos de água na semente e os efeitos correspondentes no seu comportamento fisiológico.
Termos para indexação: potencial hídrico, fisiologia de sementes, níveis de hidratação.
ENERGETICS STATUS AND TYPES OF WATER IN THE SEED
ABSTRACT - The water status play a fundamental role during of seed development and germination.
According to thermodynamic principles, the present paper interpret water, pressure, osmotic and matric
potentials. The different types of water in seed are described based on their thermodynamic properties.
The effect of types of water on physiological seed performance is discussed.
Index terms: water potential, seed physiology, hydration levels.
INTRODUÇÃO
período de quiescência, motivado pela redução da sensibilidade
e/ou do nível de ácido abscísico (Kermode, 1995).
Para a maioria das espécies ortodoxas, o estado da água
apresenta um papel regulador no desenvolvimento e na germinação da semente, sobretudo nos estádios críticos do crescimento (Westgate, 1994).
A embebição da semente madura não dormente, ocasiona
a reativação do sistema metabólico existente, suplementado pela
síntese de novos compostos, que levam novamente à expansão
e à divisão celular (Labouriau, 1983 e Kermode, 1995), culminando com o reinício do crescimento intra-seminal do embrião
e a protrusão da raíz primária.
O teor de água do zigoto após a fertilização do óvulo,
em geral, excede 80%, declinando de forma gradual durante
o desenvolvimento da semente até a maturidade fisiológica.
O período de dessecação, para muitas espécies, é um evento normal no desenvolvimento do embrião, levando a um
estado de metabolismo quiescente, que se interpõe entre o
desenvolvimento e a germinação. Dependendo do grau de
dessecação, a semente entra em criptobiose, quando o intercâmbio de matéria e energia entre a semente e o ambiente
circundante atinge níveis e velocidades especialmente baixos.
Nas espécies recalcitrantes, as sementes podem passar da
fase de desenvolvimento para a germinativa, sem que ocorra o
1
Aceito para publicação em 27.10.98.
2
Prof. Adjunto, Depto. de Fitotecnia - UFPel/FAEM, 96010-900, PelotasRS; bolsista do CNPq.
3
Prof. Titular, Depto. de Agricultura - USP/ESALQ, 13418-900, PiracicabaSP; bolsista do CNPq.
A seqüência de modificações no teor de água da semente
vem se constituindo em parâmetro relativamente eficiente para
caracterizar o desenvolvimento da semente, empregado, com
freqüência, na determinação da maturidade fisiológica. Entretanto, tem se mostrado inadequado para indicar o estado fisiológico da água durante o desenvolvimento das sementes, uma
vez que não fornece informações sobre a disponibilidade hídrica
ou seu estado energético.
Na produção vegetal, a água desempenha papel fundamental, de maneira que sua deficiência ou seu excesso afeta de
forma decisiva o crescimento e o desenvolvimento das plantas.
Em particular, na semente, o conhecimento do estado da água é
essencial para o estudo do desenvolvimento e da germinação.
Além disso, as relações hídricas podem fornecer subsídios para
explicar o comportamento fisiológico de sementes.
O presente trabalho objetivou apresentar uma revisão crítica do conceito de potencial hídrico e dos tipos de água na semente, relacionando com o comportamento fisiológico das sementes.
Revista Brasileira de Sementes, vol. 20, no 2, p.79-83 - 1998
80
F.A. VILLELA & J.MARCOS-FILHO
RELAÇÕES HÍDRICAS EM SEMENTES
O teor de água da semente na retomada do crescimento
embrionário é, em geral, similar ao da maturidade fisiológica.
Todavia, ao longo do processo de embebição, o embrião/eixo
embrionário absorve água a uma velocidade superior à do tecido de reserva. Desta forma, diferentes estruturas da semente
não apresentam, necessariamente, concentrações semelhantes
de água, o que poderá explicar a ocorrência de germinação, em
determinadas situações, quando o teor de água da semente é
inferior ao da maturidade fisiológica. Conforme McDonald et
al. (1988 e 1994), o teor de água na semente representa a média
de concentração em toda a semente, embora possam existir
variações entre suas estruturas.
Um aspecto importante a considerar é o fato de que, sob
uma determinada condição ambiental, o teor de água nas sementes com predominância de reservas cotiledonares ser maior no eixo embrionário do que nos cotilédones e, nas
endospermáticas, mais elevado no embrião em relação ao
endosperma (Marcos-Filho, 1986).
Assim, por exemplo, no reinício do crescimento embrionário, a semente de milho atinge teor de água de 30-35%, enquanto o embrião e o endosperma alcançam, respectivamente,
50-55% e 25-30% (McDonald et al., 1994). Por outro lado, a
semente de soja apresenta 60-65%, embora o eixo embrionário
e os cotilédones cheguem, respectivamente, a 70-80% e 5560% (McDonald et al., 1988). Estas variações resultam das
diferenças, quanto ao tamanho e à composição química, entre
endosperma/cotilédones e o embrião/eixo embrionário.
De forma genérica, as espécies apresentam, conforme o
cultivar e as condições ambientais reinantes, diferenças apreciáveis no teor de água na maturidade fisiológica. Por outro lado,
segundo Egli & Tekrony (1997), o potencial hídrico do embrião ou do eixo embrionário não apresenta variações acentuadas entre as espécies no final da maturação ou no início da
germinação (protrusão da raíz primária), conforme mostra a
Tabela 1, o que evidencia a ação regulatória do estado da água
no desenvolvimento da semente.
TABELA 1. Estado da água na maturidade fisiológica e na
germinação (protrusão da raiz primária) de
sementes de milho, soja e trigo (adaptado de
Egli & Tekrony, 1997).
Maturidade fisiológica
Espécie
Milho
Soja
Trigo
1
2
_______________________________________
Germinação
___________________________________________
Teor de água1 Potencial hídrico2 Teor de água1 Potencial hídrico2
(%)
(MPa)
(%)
(MPa)
37,7
59,0
43,7
-1,61
-1,52
-1,66
33,2
51,4
34,5
-2,20
-2,07
-2,20
Teor de água da semente, expresso em base úmida.
Potencial hídrico do embrião (milho e trigo) e eixo embrionário (soja).
POTENCIAL HÍDRICO
A água na semente pode ser caracterizada por um estado
de energia. A energia potencial, uma função da posição relativa
e condição interna da água nas diferentes partes de um sistema,
vem sendo utilizada para a determinação desse estado.
Dentre as funções energéticas, denominadas potenciais
termodinâmicos, especial interesse existe em relação à energia
livre de Gibbs, que expressa a máxima energia disponível para a
realização de trabalho, pela conveniência na descrição do estado de energia da água. É uma função de ponto dependente somente do estado do sistema, de maneira que por independer do
processo, sua variação pode ser determinada para o processo
mais conveniente (Salisbury & Ross, 1992 e Reichardt, 1996).
O potencial total da água no sistema solo-semente-atmosfera representa a energia livre de Gibbs específica. Desta forma, o potencial hídrico é uma grandeza intensiva que pode ser
apresentada nas formas de energia por unidade de volume, de
massa ou de peso. A energia por unidade de volume possui
dimensões físicas de pressão, em conseqüência, o potencial
hídrico pode ser expresso em unidades de medida de pressão
(Villela et al., 1991).
O potencial hídrico do embrião/eixo embrionário permanece relativamente constante durante grande parte da fase de enchimento da semente, decresce rapidamente com a aproximação da maturidade fisiológica e, a partir daí, continua a declinar
conforme as condições ambientais e as barreiras físicas ao
movimento da água da semente para o ar atmosférico (Westgate,
1994 e Egli & Tekrony, 1997).
O Segundo Princípio da Termodinâmica estabelece que
qualquer sistema somente pode evoluir de forma espontânea
para estados em que ocorra diminuição da energia livre de Gibbs.
Assim sendo, o potencial total da água permite verificar a ocorrência ou não de equilíbrio hídrico num sistema, bem como
prever a orientação do fluxo espontâneo da água, segundo um
gradiente negativo de potencial hídrico (Labouriau, 1983).
Assim, Bradford (1994), Kermode (1995) e Egli & TeKrony
(1997), considerando a similaridade de potenciais hídricos de
embrião e de eixo embrionário na maturidade fisiológica e na
germinação, sugerem que o estado da água possa representar
uma função reguladora no desenvolvimento e na germinação da
semente.
De modo a obter uma abordagem geral dos fenômenos em
que a água participa no solo, na semente e na atmosfera, surge
a necessidade de uma medida do potencial hídrico que seja, de
acordo com o princípio da superposição, uma função aditiva de
diversos termos, cada um representando um tipo de interação
entre as moléculas de água e outros constituintes.
Revista Brasileira de Sementes, vol. 20, no 2, p.79-83 - 1998
ESTADOS ENERGÉTICOS E TIPOS DE ÁGUA NA SEMENTE
Nas sementes, os processos ocorrem sob condições constantes de temperatura e posição, tornando nulos os potenciais
de temperatura e gravitacional. Assim, o potencial hídrico (Ψ)
pode ser expresso pela soma de três componentes: de pressão
(Ψp), osmótico (Ψs) e matricial (Ψm).
Ψ = Ψp + Ψ s + Ψ m
O potencial de pressão, também denominado potencial de
turgor, é determinado pela pressão exercida pela parede celular
sobre o conteúdo celular, quando a célula está turgida (Bewley
& Black, 1994).
A matriz, o material com superfícies hidrofílicas (por exemplo, proteínas e polissacarídeos), apresenta, nas interfaces
interações com a água, envolvendo forças capilares e de
adsorção, resultando no potencial matricial ou mátrico (Salisbury
& Ross, 1992).
O potencial osmótico, também denominado potencial de
soluto, é condicionado pelas ligações entre a água e os solutos.
A presença de solutos causa diminuição da energia livre de Gibbs
do solvente. Em vista disso, a energia potencial da água na presença de solutos é inferior à energia da água pura, considerada
padrão, de forma que é atribuído o valor nulo ao potencial
osmótico neste estado de referência (Labouriau, 1983 e
Reichardt, 1996).
É importante ressaltar que as membranas celulares são
semi-permeáveis, permitindo a passagem da água, sendo, entretanto, seletivas ao trânsito de diversos íons, dependendo de
sua integridade.
A Termodinâmica das Soluções estabelece o potencial
osmótico de uma solução diluída através da expressão
Ψs =
RT Lna1,
Vi
onde R é a constante universal dos gases ideais; T é a temperatura absoluta; Vi é volume parcial molar da água e ai é a atividade
da água. A atividade de água que expressa uma concentração
corrigida para soluções muito diluídas, pode ser substituída pelo
produto entre o coeficiente de atividade e a concentração
(Reichardt, 1996).
A medida dos potenciais hídricos pode ser obtida por vários métodos, conforme o material e a finalidade da medida. Dentre
os mais empregados, é válido destacar os métodos de pressão
de vapor (psicrômetro), do ponto de congelamento e do volume constante. Em virtude da precisão e exatidão, o método da
pressão de vapor vem sendo empregado para a determinação
do potencial hídrico em sementes. É importante enfatizar que
um sistema hídrico atinge o equilíbrio quando a variação de
potencial é igual a zero, ou seja, o potencial é igual em todas as
81
partes do sistema, embora o teor de água possa variar de um
ponto para outro. Deste modo, uma parte da semente pode ser
introduzida numa pequena câmara isovolumétrica com ar,
mantida sob temperatura constante (sistema isolado) e, após o
equilíbrio ter sido alcançado, o potencial hídrico pode ser determinado.
De acordo com a lei de Raoult, a pressão de vapor de soluções perfeitas é proporcional a fração molar do solvente, o que
permite escrever a expressão de potencial hídrico, na forma:
Ψ=
RT Ln p
Vi
po
onde p é a pressão parcial de vapor da água e po é a pressão
parcial do vapor saturante da água (Labouriau, 1983 e Salisbury
& Ross, 1992).
Considerando a definição de umidade relativa
UR(%) =
p
po
x 100,
é possível verificar que o potencial hídrico decresce de forma
rápida com a diminuição da umidade relativa. Sob o ponto de
vista da planta no solo, o intervalo útil de umidades relativas
situa-se entre 99% (-1,36MPa) e 100% (0MPa). Por outro lado,
as medidas precisam ser obtidas em ambiente a temperatura
constante, porque pequenas alterações ocasionam variações
acentuadas na umidade relativa e, consequentemente, no potencial hídrico.
Para sementes mantidas em ambientes à pressão atmosférica, o potencial osmótico da água na semente é sempre negativo, em virtude da presença de solutos, bem como o potencial
matricial, devido à presença de colóides nas células das sementes, onde as forças capilares e de adsorção não podem ser negligenciadas. Em conseqüência, o potencial hídrico da semente
e de suas diferentes estruturas é sempre negativo.
NÍVEIS DE HIDRATAÇÃO E COMPORTAMENTO
FISIOLÓGICO DE SEMENTES
Em sementes, a natureza e a forma de ligação da água afetam o estado fisiológico das células (Vertucci & Farrant, 1995).
Uma análise do comportamento da semente sob o ponto de
vista termodinâmico exige o conhecimento das propriedades da
água, cujas alterações discretas que ocorrem num potencial
químico específico denominam-se mudanças de fase.
Numa semente, a análise das propriedades da água é complexa, visto que, conforme suas propriedades termodinâmicas,
são observados diferentes tipos de água que podem representar
Revista Brasileira de Sementes, vol. 20, no 2, p.79-83 - 1998
82
F.A. VILLELA & J.MARCOS-FILHO
estados de equilíbrio (líquido e cristalino) e não-equilíbrio (vítreo) e caracterizar fases distintas (Vertucci, 1990).
treos, em temperaturas abaixo do ponto de congelamento da
água pura.
A fase vítrea ou estado vítreo representa um líquido superviscoso, cuja reversão ao estado de equilíbrio ocorre de forma
lenta, o que caracteriza a estabilidade cinética, mas não
termodinâmica (Franks, 1982).
A água tipo 3, com capacidade para umedecer as macromoléculas, forma pontes com sítios hidrofóbicos de
macro-moléculas, sendo observada entre teores de água de 20%
(-11MPa) e 33% (-4MPa). Nos teores correspondentes à água
tipo 3 ocorrem atividades catabólicas significativas, havendo
consumo de substâncias de reserva e produção de toxinas (radicais livres).
As propriedades superficiais das macromoléculas, particularmente as protéicas pelo interesse fisiológico, são modificadas pelo nível de hidratação. As proteínas, compostos orgânicos constituídos de polímeros de aminoácidos, apresentam
múltiplos sítios de sorção de água. As ligações das moléculas
de água às proteínas ocorrem através de grupos iônicos e polares, estes últimos pela formação de ligações - hidrogênio da
molécula de água com hidroxila, imina, amina, carboxila e
carbonila. Estas múltiplas formas de ligação condicionam a conformação da proteina, ou seja, sua estrutura secundária e
terceária (Labouriau, 1983). Assim sendo, as diferentes formas
de interação modificam de maneira significativa as propriedades da água, bem como, das macromoléculas.
As interações superficiais água-proteína variam conforme
a região da macromolécula, ocasionando variações discretas
nas propriedades da água nos tecidos das sementes, que variam
conforme o nível de hidratação (Williams & Leopold, 1989 e
Vertucci, 1990).
De acordo com o modelo dos múltiplos sítios de sorção de
água pelas macromoléculas, Vertucci (1990 e 1993) e Vertucci
& Farrant (1995) descrevem cinco tipos de água. O tipo 1 caracteriza a água ligada quimicamente por grupos iônicos, sendo
importante para a manutenção da integridade estrutural das
macromoléculas (água estrutural). Ocorre em teores de água,
expressos em base úmida, inferiores a 7,5% (Y < -150MPa),
sendo observadas pequena atividade enzimática e aceleração da
deterioração pela desestabilização da estrutura protéica, acúmulo
de subprodutos do metabolismo (radical livre), peroxidação de
lipídios e perda de função da membrana celular, causada pelas
transições de fase e/ou segregação de vários componentes de
seus constituintes (Rockland, 1969; Vertucci & Leopold, 1987;
Vertucci & Roos, 1990 e Bruni & Leopold, 1992).
A água tipo 2 interage com sítios hidrofílicos da proteína e
apresenta características do estado vítreo. O teor de água
está compreendido entre 7,5% (-150MPa) e 20% (-11MPa) e
verifica-se a ocorrência de determinadas reações catabólicas sob a ação de enzimas (Vertucci & Roos, 1990 e Vertucci,
1993).
Há também a considerar o acentuado aumento na intensidade respiratória de sementes ortodoxas, sobretudo a partir de
14 a 16% de água, dependendo da temperatura.
A água ligada, constituída pelos tipos 1 e 2, em princípio,
não sofre solidificação, em razão da formação dos estados víRevista Brasileira de Sementes, vol. 20, no 2, p.79-83 - 1998
Em potenciais hídricos inferiores a -3MPa cessa a síntese
protéica e o processo de reparo torna-se inoperante (Dell’Aquila,
1992). Vale lembrar que a total remoção da água tipo 3 é letal
para a grande maioria das sementes recalcitrantes maduras
(Pammenter et al., 1991 e Vertucci, 1993).
É importante destacar que os teores de água relativos aos
tipos 1, 2 e 3 de água são afetadas pela composição química da
semente e temperatura, entre outros fatores.
A água tipo 4 apresenta propriedades similares a uma solução concentrada de água e pode ser identificada pela baixa temperatura de solificação. Sua ocorrência verifica-se entre teores
de água de 33% (-4MPa) e 41% (-1,5MPa), ocupando, possivelmente, poros ou capilares e não interagindo diretamente com
a superfície das proteínas. Neste nível de hidratação ocorrem
determinados processos de biossíntese, necessários à germinação, como a síntese protéica. A remoção da água tipo 4 causa a
morte de embriões imaturos e de plântulas.
A água tipo 5 tem comportamento semelhante a uma
solução diluída de água e pode ser considerada água livre. Sua
ocorrência é observada em teores de água superiores a 41%
(> -1,5MPa).
Com a remoção da água tipo 5, os tecidos não apresentam
crescimento (Mc Intyre, 1987) e há alterações nos padrões de
síntese de ácidos nucléicos e proteínas (Dell’Aquila & Spada,
1992).
O estado da água afeta a natureza e a cinética das reações
metabólicas, levando a crer que os mecanismos da deterioração
de sementes diferem para cada nível de hidratação da semente
durante o armazenamento.
CONCLUSÕES
Os resultados de pesquisa evidenciam que o potencial
hídrico da semente ou de suas estruturas possa constituir-se
num melhor indicador do estado da água do que o teor de água.
Por outro lado, existem fortes evidências que o mecanismo da
deterioração da semente varia conforme o nível de hidratação
das sementes armazenadas.
ESTADOS ENERGÉTICOS E TIPOS DE ÁGUA NA SEMENTE
REFERÊNCIAS
BEWLEY, Y.D. & BLACK, M. Seeds: physiology of development and
germination. New York: Plenum Press, 1994. 445p.
BRADFORD, K.J. Waters tress and the water relations of seed
development: a critical review. Crop Science, Madison, v.34,
n.1, p.1-11, 1994.
BRUNI, F.B. & LEOPOLD, A.C. Cytoplasmic glass formation in maize
embryos. Seed Science Research, New York, v.2, n.4, p.251253, 1992.
83
Mc INTYRE, G.I. The role of water in the regulation of plant
development. Canadian Journal of Botany, Ottawa, v.65, n.7,
p.1287-1298, 1987.
PAMMENTER, N.W. VERTUCCI, C.W. & BERJAK, P.
Homeohydrous (recalcitrant) seeds: dehydration, the state of
water and viability characteristcs in Landolphia kirkii. Plant
Physiology, Rockville, v.96, n.6, p.1093-1098, 1991.
REICHARDT, K. Dinâmica da matéria e da energia em ecossistemas.
Piracicaba: Depto. de Física e Meteorologia, USP/ESALQ, 1996.
513p.
DELL’AQUILA, A. Water uptake and protein synthesis in
germinating wheat embryos under osmotic stress of
polyethylene glycol. Annals of Botany, Camberra, v.69, n.2,
p.167-171, 1992.
ROCKLAND, L.B. Water activity and storage stability. Food
Technology, Chicago, v. 23, n.4, p.1241-1251, 1969.
DELL’AQUILA, A. & SPADA, P. Regulacion of protein synthesis
in germinating wheat embryos under polyethylene glycol and
salt stress. Seed Science Research, New York, v.2, n.2, p.75-80,
1992.
VERTUCCI, C.W. Calorimetric studier of the state of water in seed
tissues. Biophysical Journal, London, v.58, n.5, p.1463-1471,
1990.
EGLI, D.B. & TEKRONY, D.M. Species differences in seed water
status during -seed maturation and germination. Seed Science
Research, New York, v.7, n.1, p.3-11, 1997.
FRANKS, F. The properties of aqueous solutions at subzero
temperatures. In: FRANKS, F. (Ed.), Water: a comprehensive
treatise. Nova York: Plenum Press. 1982. p.215-338.
KERMODE, A.R. Regulatory mechanisms in the transition from seed
development to germination: interactions between the embryos
and the seed environment. In: KIGEL, J. & GALILI, G. (Ed.)
Seed development and germination. New York: Marcel Dekker,
1995. p.273-332.
LABOURIAU, L.G. A germinação das sementes. Washington:
OEA,1983.174p.
SALISBURY, F.B. & ROSS, C.W. Plant Physiology. Belmont,
California: Wadsworth, 1992. 682p.
VERTUCCI, C.W. Predicting the optimum storage conditions for
seeds using thermodynamic principles. Journal Seed
Technology, Lansing, v.17, n.2, p.41-53, 1993.
VERTUCCI, C.W. & FARRANT, J.M. Acquisition and loss of
desiccation tolerance. In: KIGEL, J. & GALILI, G (ed.). Seed
development and germination. New York: Marcel Dekker Inc.,
1995. p.237-271.
VERTUCCI, C.W. & LEOPOLD, A.C. Water binding in legume seeds.
Plant Physiology, Rockville, v.85, n.1, p.224-231, 1987.
VERTUCCI, C.W. & ROOS, E.E. Theoretical basis of protocols for
seed storage. Plant Physiology, Rockville, v.94, n.3, p.1019-1023,
1990.
McDONALD, M.B.Jr.; VERTUCCI, C.W. & ROOS, E.E. Soybean
seed imbibition: water absortion by seed parts. Crop Science,
Madison, v.28, n.6, p.993-997. 1988.
VILLELA, F.A.; DONI-FILHO, L. & SEQUEIRA, E.L. Tabela de potencial osmótico em função da concentração de polietileno glicol
6000 e da temperatura. Pesquisa Agropecuária Brasileira,
Brasília, v.26, n.11/12, p.1957-1968, 1991.
McDONALD, M.B. Jr.; SULLIVAN, J. & LAUER, M.J. The pathway
of water uptake in maize seeds. Seed Science & Technology,
Zürick, v.22, n.1, p.79-90, 1994.
WESTGATE, M.E. Water status and development of the maize
endosperm and embryo during drought. Crop Science,
Madison, v.34, n.1, p.76-83, 1994.
MARCOS-FILHO, J. Germinação de sementes. In: CÍCERO, S.M.;
MARCOS-FILHO, J. & SILVA, W.R. (org.). Atualização em produção de sementes. Campinas: Fundação Cargill, 1986. p.11-39.
WILLIAMS, R.J. & LEOPOLD, A.C. The glassy state in corn
embryos. Plant Physiology, Rockville, v.89, n.4, p.977-981,
1989.
Revista Brasileira de Sementes, vol. 20, no 2, p.79-83 - 1998