AS AUXINAS E OS TROPISMOS NOS VEGETAIS

O estudo dos movimentos vegetais está incluído na fisiologia vegetal, contudo, sabe-se hoje,

que nem estudo aprofundado deste tema seria capaz sem utilizar conceitos relacionados à outras

ciências como a Botânica, a Bioquímica, a Genética, a Morfologia e muitos outros ramos da

Biologia Vegetal.

A maioria dos movimentos são reações de crescimento, sendo este, por sua vez, uma

manifestação do desenvolvimento morfológico, como tal, é controlado pelos hormônios.

1. ESTÍMULO/EXCITAÇÃO RESPOSTA/REAÇÃO

As respostas das plantas podem ser orientadas em relação ao estímulo, quando são chamadas

Tropismos; ou não direcionadas em relação a ele, sendo assim chamadas Nastismos. O crescimento,

quando há, pode ocorrer por meio do aumento do tamanho e/ou número de células, sendo desta

forma, irreversível, ou por meio de variação no turgor, quando então é reversível.

Ambas as respostas, trópicas e/ou násticas, podem acontecer independentes ou associadas

num mesmo organismo.

Os movimentos acontecem em três etapas diferentes e consecutivas, são elas: a percepção, a

transdução e a resposta.

A percepção consiste na detecção do estímulo ambiental por uma célula, tecido ou órgão

específico, sendo esta etapa de difícil detecção, devido aos vários estímulos simultâneos a que estão

submetidos. A transdução é a etapa que determina como o estímulo migra dentro da célula, sendo

que os sinais enviados, as mudanças bioquímicas, biofísicas e de potencial elétrico envolvidos são

os pontos chave para elucidação desta etapa. A terceira e última etapa do movimento é a resposta, a

forma como a planta reage ao estímulo, o que realmente acontece durante o movimento.

2. TROPISMOS

São movimentos de curvatura orientados em relação a um excitante, podendo ser negativos

ou positivos. São positivos quando a curvatura se faz na direção do excitante; em caso contrário, são

negativos.

Dependendo do tipo de estímulo, os tropismos podem ser classificados em: Fototropismo,

Gravitropismo ou Geotropismo, Tigmotropismo, Hidrotropismo e Quimiotropismo.

São 3 os principais sistemas de orientação do crescimento vegetal:

1) Fototropismo – ou crescimento em relação a luz, é expresso em toda a parte aérea da planta e

algumas raízes, garante que as folhas receberão luz solar suficiente para a fotossíntese.

2) Gravitropismo ou geotropismo – ou crescimento em resposta a gravidade, possibilita que as

raízes cresçam em direção ao solo e as partes aéreas em direção oposta, respostas que são

críticas nos estádios iniciais da germinação.

3) Tigmotropismo – ou crescimento em resposta ao toque, permite que as raízes cresçam ao

redor de rochas e é responsável pela capacidade das partes aéreas subirem sobre outras

plantas ou estruturas de suporte.

Veremos que a curvatura em resposta à luz ou à gravidade resulta da redistribuição late-

ral da auxina. Veremos também os mecanismos celulares envolvidos na formação dos gradientes

laterais de auxina durante a curvatura. O tigmotropismo é pouco conhecido embora envolva

também gradiente de auxina.

1) Fototropismo

Este fenômeno, anteriormente chamado de heliotropismo (resposta à luz provinda do sol),

acarreta em curvatura da planta, por meio de crescimento diferencial, determinada pela luz., sendo

largamente distribuído no reino vegetal.

Durante o final do século XIX, no ano de 1880, Charles Darwin e seu filho Francis

estudaram maciçamente os fenômenos do crescimento vegetal envolvendo tropismos, especialmente

os fototropismos. Em alguns experimentos, os Darwins utilizaram plântulas de alpiste (Phalaris

canariensis), nas quais, como em muitas outras gramíneas, as folhas mais jovens são revestidas por

um órgão protetor chamado de coleóptilo, sendo estes muito sensíveis à luz, em especial à luz azul.

Em suas pesquisas, pai e filho verificaram que se os coleóptilos fossem iluminados unilateralmente

com um pulso curto de luz azul fraca, eles se curvavam (cresciam) em direção à fonte de luz, em

uma hora e, assim, constataram que o ápice do coleóptilo percebia a luz, porém tal fato não

acontecia se a ponta fosse seccionada ou recoberta por um anteparo opaco (papel alumínio, por

exemplo). Quando o recobrimento era feito abaixo da ponta, o fototropismo ainda era observado

(Figura 1). No entanto, aumentada a intensidade luminosa, a percepção também ocorria fora do

ápice. Ou seja, este é mais sensível, respondendo mesmo em intensidade luminosa baixa.

Figura 1. Fototropismo em coleóptiles de aveia desenvolvidos no escuro e depois iluminados lateralmente conforme a seta. As plantinhas com ápice cortado ou coberto (B e C) permaneceram retas, e aquelas mantidas intactas (A) ou com seus ápices expostos (D) curvaram-se em direção à luz. Extraído de KERBAUY, 2004.

A sensibilidade à luz expressa intrinsecamente a relação entre dose e resposta, por meio da

qual pode-se aplicar a lei da reciprocidade, segundo a qual a resposta é proporcional à duração da

exposição, e a energia ou fluxo fotônico (taxa de fluência). Então, o fluxo e duração criam uma

reciprocidade entre si; um aumentando, o outro pode diminuir. Isso parece ser verdadeiro para a

resposta de primeira ordem (resposta inicial, mais efêmera), dentro de certos limites. As respostas

de curvatura de segunda ordem (que surgem após exposições mais prolongadas) são mais

duradouras e dependem da duração e da taxa de fluência de forma cumulativa, de modo a haver

saturação dos receptores (Figura 2).

Figura 2. A curva típica de resposta à fluência para o fototropismo. A1. Pequeno gradiente de p (receptor) causa leve curvatura no ápice; A2. Intenso gradiente de p junto ao ápice causa curvatura máxima; A3. Ausência de gradiente de p, no ápice e base, curvatura ausente; A4. Curvatura acentuada para um gradiente devido à intensa iluminação por tempo longo. B. Modelo de fosforilação para a primeira curvatura positiva (baixa intensidade de fluência), zona neutra, e a segunda curvatura positiva (como em A4). Extraído de KERBAUY, 2004.

As conclusões dos experimentos levaram a crer que algum tipo de sinal era produzido no

ápice, deslocava-se até a zona de crescimento, ocasionando o crescimento mais rápido do lado

sombreado do que o lado iluminado. Os resultados desses experimentos foram publicados em 1881,

em um livro notável, intitulado de Power of Moviment in Plants.

Após esta descoberta, seguiu-se, então, um extenso período de contínuas experimentações

envolvendo a essência do estímulo do crescimento em coleóptilos que culminaram com a

demonstração, por Cholodny, com ápices de raízes e Went, com ápices de coleóptilos de aveia

(Avena sativa), da presença de um composto promotor de crescimento. Já havia sido demonstrado

que se a extremidade do coleóptilo fosse retirada, o crescimento desses órgãos cessava.

Anteriormente certos pesquisadores tentaram isolar e identificar esse composto, macerando os

coleóptilos e testando a atividade dos extratos, porém seus experimentos fracassaram diante do fato

que, durante a maceração, havia a liberação, no extrato, de substâncias inibidoras.

Sabendo desta limitação Cholodny e Went evitaram, em suas pesquisas, a etapa da

maceração, permitindo que o composto promotor de crescimento se difundisse dos ápices

removidos de coleóptilos diretamente em blocos de gelatina. Se colocados assimetricamente sobre

um coleóptilo decapitado, tais blocos poderiam ser testados quanto à sua capacidade de provocar

curvatura na ausência de uma fonte de luz unilateral. Pelo fato de promover o crescimento das

seções de coleóptilo, essa substância foi chamada de auxina, termos originários do grego auxein,

cujo significado é “aumentar” ou “crescer”.

Dos resultados obtidos postulou-se a hipótese de Cholodny-Went que diz que a iluminação

unilateral induz a redistribuição da auxina endógena nas proximidades do ápice. Essa assimetria na

distribuição da auxina é mantida nessas condições, no transporte basípeto desse fitohormônio,

observado na região de alongamento. As células do lado sombreado receberiam mais auxina,

estimulado o crescimento na parte aérea e causando inibição deste nas raízes (Figura 3).

Figura 3. A auxina é transportada para a região inferior da extremidade do coleóptilo de aveia posicionado horizontalmente. (A) A auxina das metades superiores e inferiores de um ápice na posição horizontal difunde-se em dois blocos de ágar. (B) O bloco de ágar da metade inferior (esquerda) induz uma curvatura maior no coleóptilo decapitado do que o bloco de ágar da metade superior (direita). Extraído de Taiz & Zeiger, 2004.

Alternativamente, foi proposto que, no lado mais iluminado, haveria maior destruição das

auxinas pela AIA-oxidase, que seria fotodependente. Concebida quase que concomitantemente a

teoria de Cholodny-Went, surgiu, com pouquíssimos adeptos, uma hipótese alternativa sugerida por

Blaauw, a qual propôs que a produção ou liberação de um inibidor de crescimento no lado mais

iluminado limitaria ou impediria o crescimento celular. Mais recentemente esta hipótese foi

retomada por Pilet e colaboradores. na França, que sustentaram o fato que existe um gradiente

entre a parte iluminada e a menos iluminada, com mais inibidor de crescimento (ácido abscisico)

em maior concentração no lado mais iluminado. Briggs e colaboradores., repetiram

cuidadosamente alguns experimentos de Went utilizando coleóptilos de milho, demonstrando a

ocorrência de dois fenômenos na distribuição da auxina:

(1) havia distribuição assimétrica do fitohormônio, se o ápice não fosse totalmente isolado;

(2) a quantidade total de fitohormônio no lado mais iluminado, comparada com a da parte

menos iluminada, era a mesma, se o ápice fosse totalmente fendido (Figura 4).

Figura 4. Evidência de que a redistribuição lateral da auxina é estimulada pela luz unidirecional em coleóptilos de milho. Extraído de Taiz & Zeiger, 2004.

Além disso, Cholodny e Went, constataram que a iluminação com radiação azul, poderia ser

compensada colocando-se um bloco de ágar com auxina do lado não iluminado (Figura 5). Há

evidências bioquímicas e fisiológicas de que a FALVOPROTEÍNA (fototropinas 1 e 2) com 116-

KDa associada à membrana plasmática (NPH1) são os fotorreceptores para fototropismo, sendo

responsável pelas respostas fototrópicas no comprimento de onda azul. Nessa faixa do espectro,

ocorre autofosforilação das flavoproteínas, o que induz o deslocamento da auxina para o lado mais

sombreado do coleóptilo, garantindo as respostas de curvatura. Foi demonstrado, também, que a

iluminação com luz azul unilateral causa um gradiente de fosforização da NPH1, e esse gradiente

de concentração do receptor de início é maior junto ao ápice. A continuidade por mais tempo do

estímulo e/ou maior intensidade provoca o aparecimento do receptor fosforilado mais distante do

ápice, sendo essa condição a mais comum na natureza.

Figura 5. Experimentos de F. Went. A. A extremidade dos coleóptiles foram removidos e colocados por 1 hora sobre blocos de ágar. B. O ágar, após retirada dos ápices de coleóptiles, foi cortado em pequenos pedaços e colocados assimetricamente sobre o coleóptile não induzido. C. Curvatura do ápice para o lado oposto ao pedaço de ágar. Os experimentos foram conduzidos no escuro, e a curvatura do coleóptile decapitado deu-se à semelhança daqueles intactos iluminados lateralmente. Conclusão chegada por Went: era químico o fator que provocava o encurvamento, e este se acumulava no lado oposto ao iluminado. Extraído de KERBAUY, 2004.

2 ) Gravitropismo ou Geotropismo

Este fenômeno, anteriormente denominado de geotropismo, consiste na resposta de

crescimento na qual a planta se orienta em relação ao vetor gravidade.

Normalmente, as raízes orientam-se positivamente em relação ao estímulo gravidade,

permitindo a ancoragem da planta ao solo, facilitando, desta forma, a absorção de água e nutrientes.

A parte aérea, por sua vez, responde negativamente ao estímulo, tornando possível assim a captura

mais eficientemente da energia radiante necessária para a realização e/ou controle de fenômenos

essenciais ao desenvolvimento, entre eles a fotossíntese.

O sentido do crescimento dos órgãos pode ser uma medida classificatória destes em relação

á gravidade. Assim, existem órgãos como estolões, rizomas e galhos laterais que crescem em

ângulo reto à força da gravidade e são denominados de diagravitrópicos (Figura 6) e outros que

crescem em ângulos diferentes de 0° ou 90°, como muitas raízes secundárias, denominados de

plagiogravitrópicos (Figura 7).

Ao contrário da temperatura, ventos e quantidade de insolação, a força da gravidade é

constante num mesmo local. Assim, é um balizador muito regular do desenvolvimento, e as plantas

encontram-se bem adaptadas a este estímulo. Isso induz a pensar que as plantas devem ter

percepção da força da gravidade.

Figura 6. Araucaria angustifolia no sul do Brasil, na qual se pode observar o diagravitropismo dos galhos. Extraído de KERBAUY, 2004.

Figura 7. Diagrama ilustrando os vários tipos de respostas gravitrópicas em plantas. Extraído de KERBAUY, 2004.

A percepção da gravidade em raízes ocorre por meio dos estatólitos, descritos inicialmente

para os crustáceos e identificados nas plantas como grãos de amido encerrados na região da coifa

em amiloplastos, junto ao ápice meristemático. A idéia é que os grãos sedimentar-se-iam junto às

membranas no lado inferior das células (estatócitos), e este seria o sinal gravimétrico para o

desenvolvimento. Isso explicaria as observações feitas anteriormente por Darwin de que raízes com

pontas seccionadas não respondiam à força da gravidade. Essa teoria foi contestada mais tarde, pois,

em plantas deixadas no escuro, nas quais o amido era consumido, ainda assim ocorriam reações

gravitrópicas. Em mutantes de Arabiclopsis deficientes na formação de grãos de amido, observou-se

que ocorriam reações à força da gravidade, embora em intensidade menor, graças ao movimento

dos cloroplastos (Figura 8).

A fórmula que expressa a estimulação gravitacional envolve o produto entre a intensidade

do estímulo e o tempo de aplicação, sendo a dose limiar dependente da temperatura. Outros

parâmetros se tornam interessantes quando se definem graviestímulos, são eles: tempo de

apresentação, tempo de reação e intensidade limiar.

Figura 8. A percepção da gravidade pelos estatócitos em Arabidopsis. (A) Electromicrografia da extremidade da raiz, apresentando o meristema apical (M), a columela (C) e as células periféricas (P). (B) Vista ampliada da célula da columela, indicando os amiloplastos sedimentados sobre o retículo endoplasmático na base da célula. (C) Diagrama das muda que ocorrem durante a reorientação da posição vertical para a horizontal. Extraído de Taiz & Zeiger, 2004. .

O tempo de apresentação é a duração mínima do estímulo para induzir a curvatura, sendo,

também, função da temperatura. Este conceito não deve ser confundido com o tempo de reação,

pois, até haver a transdução da seqüência de sinais, pode ocorrer um tempo bem maior. Para o

coleóptilo de milho, o tempo mínimo de apresentação foi de 9 segundos, mas o início visível da

curvatura só se iniciou após 210 segundos. A intensidade limiar varia de planta para planta e de

órgão para órgão. As raízes são cerca de 10 vezes mais sensíveis que a parte aérea.

As etapas de transdução e resposta do gravitropismo positivo apresentado pela maioria das

raízes estão vinculadas à distribuição de um inibidor (Figura 9), o qual se torna mais concentrado do

lado inferior da raiz. Dois fitohormônios prevalecem, AIA e ABA. Embora o ABA possa inibir o

crescimento das raízes, a concentração necessária encontrada experimentalmente foi de 100 a 1.000

vezes maior do que a ocorrente nas raízes que respondem à força da gravidade. Outros

pesquisadores clamam por uma interação entre AIA e ABA. Porém, as evidências mais fortes

apontam para o AIA, que nas raízes funcionaria como inibidor do crescimento do lado inferior. A

remoção da ponta da raiz, com colocação de um bloquinho de ágar contendo AIA no lado inferior

da raiz posicionada horizontalmente, provoca encurvamento semelhante ao da raiz intacta (Figura

10).

Figura 9. Experimentos de microcirurgia demonstrando que a coifa produz um inibidor que regula o gravitropismo da raiz. Extraído de Taiz & Zeiger, 2004.

Figura 10. A. Ápice de raiz intacta de uma plantinha em posição normal vertical. B. Colocada na posição horizontal, quando intacta, apresenta gravitropismo; quando secionada, não apresenta. C1. Raízes com a ponta secionada na qual se adicionou um bloco de ágar com AIA. C2. Ágar sem AIA; não houve reação. C3. Bloco sem AIA colocado no lado de cima, sem reação. D1. Curvatura da raiz, apesar de secionada, pela adição assimétrica do bloquinho de ágar com AIA. D2 e D3. Não foi observada nenhuma reação. Extraído de KERBAUY, 2004.

O lado inferior da raiz intacta, depois de a planta permanecer certo tempo na posição

horizontal, é mais ácido do que o lado superior, e sabe-se que o crescimento de paredes depende de

uma maior acidez, na qual está envolvido o efeito da auxina.

Além do gradiente diferencial de auxina, supõe-se que também o íon cálcio (Ca+2) parece

estar envolvido nas respostas gravitrópicas. Da mesma forma que os blocos com auxina colocada

assimetricamente substituem a ponta da raiz seccionada, ágar com íons de Ca+2 podem provocar o

mesmo efeito. A explicação evocada é de que os estatólitos depositados sobre as membranas, como

as do retículo endoplasmático, a plasmática e mesmo as dos vacúolos, alterariam a permeabilidade

destas e provocariam a entrada de grande quantidade de cálcio no citoplasma. Os íons cálcio

complexar-se-ia com a calmodulina, ativando várias enzimas, tendo como expressão morfogênica

final a curvatura da ponta da raiz para baixo por crescimento inibido na parte inferior, mas não na

parte superior.

Caules e coleóptilos apresentam, em geral, gravitropismo negativo. Essa manifestação de

gravitropismo negativo pode ser facilmente verificada, colocando-se na horizontal uma planta

envasada. Este experimento deve ser realizado no escuro, a fim de evitar mascaramento dos

resultados por influências fototrópicas. Após 24 a 48 horas, poderá se observar que o caule assume

uma posição ereta a partir de uma porção mediana (Figura 11).

Figura 11. Gravitropismo em plantinhas e milho (Zea mays), colocadas, aos 4 dias de idade, na posição horizontal por 3 horas. Na parte aérea, observa-se o gravitropismo negativo, enquanto na raiz ele é positivo. Extraído de KERBAUY, 2004.

Nos caules adultos, coleóptilos e hipocótilos os lados de percepção e resposta são os

mesmos, inclusive sob condições de remoção do ápice. De fato, no tecido parenquimático

perivascular, encontram-se grãos de amido que desempenham um papel de estatólitos, sendo células

desse tecido os estatocistos do sistema. No tecido perivascular dos coleóptilos e dos hipocótilos,

também podem ser encontrados esses estatocistos.

As etapas de transdução e resposta gravitrópicas indicam que as auxinas mover-se-iam para

a parte inferior do caule colocado na posição horizontal, promovendo o crescimento nesse lado, à

similaridade do modelo de Cholodny – Went . Porém, existem críticas dessa interpretação, já que as

respostas são muito rápidas para haver tempo de migração do fitohormônio, e nem sempre parece

que se estabeleceriam gradientes entre a parte superior e a inferior. Uma das explicações

encontradas é de que o gradiente se estabeleceria nos tecidos epidérmicos, mais sensíveis às

auxinas, pouco influenciando os tecidos das camadas mais internas, o que dificultaria a detecção

dos gradientes. Outra coincidência em favor das auxinas é que, usando-se inibidores de transporte

de auxinas, o crescimento foi inibido e não houve respostas gravitrópicas. Há evidências de que

outros fitohormônios, como giberelinas e etileno, poderiam estar envolvidos no processo. Assim,

tecidos tratados com AVG (amino-etoxivinilglicina), inibidor de produção de etileno, não

apresentaram respostas gravitrópicas negativas. No entanto, respostas ao etileno não são gerais, ou

não puderam ser evidenciadas para hipocótilos de tomateiro.

Há evidências experimentais de que poderia haver mais sensibilidade ou maior quantidade

de receptores capazes de ligar auxina na parte inferior do caule deitado do que na parte superior,

além de que o íon cálcio (Ca+2) seria mais abundante na parte superior. Sabe-se que esse íon inibe o

crescimento.

O que se pode observar é que as respostas gravitrópicas negativas num caule acontecem por

um maior crescimento das células no lado inferior, enquanto as do lado superior não crescem ou até

são amassadas pela distensão e mudança de direção do crescimento do caule.

3) Tigmotropismo

É a curvatura orientada em relação a um excitante de contato (Figura 12). Apresentam este

tropismo as gavinhas que, a princípio, apresentam crescimento normal. Elas são dotadas de um

pequeno gancho na sua extremidade; com crescimento da gavinha, esse ganchinho pode encontrar

um suporte qualquer onde se prende; isto causa uma irritação que produz retardamento do

crescimento do lado excitado ao passo que o lado oposto aumenta seu crescimento, acarretando um

enrolamento da gavinha no suporte.

A desigualdade de crescimento iniciada pela excitação da gavinha dura certo tempo; se a

irritação não for repetida a curvatura se desfaz, crescendo agora o lado excitado mais do que o

oposto que, agora, retarda seu crescimento. É possível que a reação seja similar ao gravitropismo,

ou seja, que envolva fitohormônios, íons cálcio e calmodulina.

As curvaturas apresentadas pelas gavinhas são verdadeiras molas que fixam a planta ao

suporte de um modo bem elástico. Apresentam o tigmotropismo as gavinhas do chuchu, da uva, do

maracujá, etc...

Figura 12. Gavinhas de Cucumis anguria. A curvatura foi causada por diferentes taxas de crescimento entre os lados interno e externo da gavinha, provocando o enrolamento do órgão. Extraído de KERBAUY, 2004.

4) Quimiotropismo

É a curvatura orientada em relação a uma substância química. Exemplo típico é o

crescimento do tubo polínico em direção ao óvulo nas flores, direcionamento esse induzido por

arabinogalactanos, glicoproteínas e lipoproteínas, além de um potencial eletroquímico produzido

por íons potássio (K+). A real natureza desse quimiodirecionamento a partir do ovário ainda é

controversa, mas certamente essencial para o fenômeno da fertilização. Outro exemplo prático é a

atração das hifas dos fungos por substâncias nutritivas.

5) Hidrotropismo

Quando o quimiotropismo se refere à água chama-se hidrotropismo que pode ser: positivo

como no caso das raízes e negativo no caso dos fungos que, durante a frutificação, abandonam o

substrato úmido.

Observável em raízes, particularmente de plantas lenhosas arbóreas, as quais investem mais

fitomassa no crescimento de raízes localizadas em regiões do solo onde o potencial hídrico é menos

negativo, ou seja, onde é mais fácil a absorção de água para funcionamento da planta, respondendo

às perdas hídricas.

6) Aerotropismo

Quando se refere ao oxigênio o quimiotropismo toma a denominação particular de

aerotropismo como apresentam as raízes respiratórias que, saindo da terra, procuram oxigênio

atmosférico.