21 Tuberização

Introdução

Alguns dos órgãos de numerosas espécies vegetais desempenham mais de uma função em determinadas fases de seu ciclo de vida. É o caso de raízes, caules ou folhas que, em dado momento do ciclo de desenvolvimento das plantas, reduzem seu crescimento em extensão e passam a acumular substâncias de reserva, geralmente de natureza glicídica, havendo uma hipertrofia radial do órgão. Dependendo de sua origem, o órgão de reserva pode receber designações diversas, como tubérculo, cormo, pseudobulbo, rizóforo e rizoma, quando originado do caule, ou então bulbo e raiz tuberosa, quando formado a partir de uma estrutura de natureza foliar ou radicular, respectivamente. Há também os xilopódios, de origem caulinar, radicular e/ou mista, globosos ou sem forma definida e com numerosas gemas, geralmente na superfície do órgão espessado, envolvidas na propagação vegetativa.

O tubérculo de batata-inglesa (Solanum tuberosum) é um exemplo de caule modificado, com nós, entrenós e um eixo muito curto e espessado, no qual se acumula amido em plastídios especiais, os amiloplastos. Em tulipa (Tulipa sp.), o bulbo consiste em uma base não muito desenvolvida e maciça, denominada prato, que apresenta um botão vegetativo, e catafilos, que armazenam substâncias nutritivas e protegem a gema e as raízes desenvolvidas na parte inferior dessa estrutura. Em outras espécies, como Begonia evasiana, Sinningia allagophylla e Solanum tuberosum, as gemas axilares presentes em estacas com folhas também podem tuberizar se forem enterradas, reproduzindo as plantas de origem.

A indução de tuberização, a iniciação e o desenvolvimento de órgãos espessados, seguidos de dormência e brotação, constituem etapas do ciclo de vida típico das plantas com órgãos tuberosos, os quais estão diretamente relacionados com a sobrevivência e a reprodução vegetativa das espécies que os apresentam. Nesse particular, a indução da tuberização e as demais etapas da multiplicação vegetativa compartilham aspectos comuns com a reprodução sexuada, particularmente com a indução da floração (Roumeliotis et al., 2012).

Plantas com órgãos de reserva são geralmente herbáceas e perenes, e sua parte aérea senesce ao final do período anual de crescimento, permanecendo apenas o órgão subterrâneo espessado. Após um período variável de dormência, esses órgãos podem rebrotar por meio do desenvolvimento de suas gemas e utilização das reservas acumuladas, assegurando um novo período de crescimento. Assim, os órgãos subterrâneos espessados são importantes na propagação vegetativa, pois protegem as gemas das condições desfavoráveis às quais a parte aérea está mais sujeita. Fatores ambientais e endógenos controlam as várias etapas desse processo.

O processo de formação de órgãos de reserva não foi totalmente elucidado até o momento; sabe-se, entretanto, que ocorrem alterações morfológicas, bioquímicas e moleculares drásticas nas plantas capazes de iniciar a formação dessas estruturas. S. tuberosum tem sido utilizada como modelo clássico para o estudo do processo de tuberização, em virtude de sua importância econômica, sendo a terceira cultura mais consumida no mundo, precedida apenas por trigo e arroz. Reconhecem-se três etapas no desenvolvimento desses tubérculos:

• Indução da tuberização, sem modificações morfológicas, mas com

ativação de genes e alterações hormonais importantes • Iniciação da tuberização, marcada pela parada de crescimento do estolão

e intumescimento radial da região subapical deste, em decorrência do

alongamento celular e das divisões celulares

• Aumento de massa do tubérculo, composto em sua grande extensão por

células parenquimáticas que armazenam grande variedade de

metabólitos, proteínas e principalmente amido.

No bulbo da cebola (Allium cepa), apesar de ser originado a partir das folhas, ocorrem as mesmas etapas na formação do órgão de reserva e no acúmulo de outros carboidratos. Neste capítulo, será utilizado indiscriminadamente o termo “tuberização” para designar a formação dos diferentes tipos de órgãos subterrâneos de reserva. Estudos fisiológicos, bioquímicos e moleculares detalhados realizados nas últimas décadas com S. tuberosum permitiram a identificação dos principais alvos moleculares (genes e proteínas) passíveis de utilização na engenharia genética dessa espécie. Esse conhecimento permitirá cultivar a batata, por exemplo, sob ampla gama de condições ambientais que hoje limitam sua produção, como as mudanças climáticas, especialmente o aquecimento global.

 

Controle da iniciação da tuberização

O processo de tuberização é influenciado por fatores endógenos e do ambiente. Entre os vários fatores ambientais que afetam a tuberização, destacam-se o fotoperíodo e a temperatura, sendo o processo favorecido por noites longas (fotoperíodos curtos), temperaturas baixas e níveis baixos de

nitrogênio (Figura 21.1). Altas temperaturas são inibitórias no início da tuberização, principalmente porque afetam a partição de assimilados, favorecendo o desenvolvimento de outras partes da planta, em detrimento da quantidade alocada para o tubérculo. O status de carboidratos e o balanço hormonal estão entre os fatores endógenos essenciais para o processo de tuberização.

 

Fatores ambientais

Como em outros processos de organogênese, a formação de tubérculos e de outros órgãos de reserva pode ser controlada por fatores ambientais, como fotoperíodo, luz e temperatura. Garner e Allard (1923) foram os primeiros a observar que o fotoperíodo controla a formação de tubérculos em batata. Nessa espécie, noites longas favorecem a indução da tuberização; portanto, nesse processo, a batata é considerada uma planta de dias curtos. Quando em condições de fotoperíodo longo, ocorre um atraso na tuberização, havendo maior crescimento das porções aéreas e dos estolões dessa espécie, que ficam mais numerosos e ramificados. Experimentos com fotoperíodo e enxertia intraespecífica em S. tuberosum sugeriram que a indução da tuberização estaria relacionada com um estímulo produzido pelas folhas. Quando folhas de uma planta doadora exposta a fotoperíodo curto eram enxertadas em uma planta receptora, mantida em fotoperíodo longo, uma condição não indutiva, ocorria tuberização. No processo de tuberização de batata, observou-se que um grupo de folhas já expandidas pode ser a fonte de indução para um grupo de estolões; e estolões em diversas idades apresentam diferentes níveis de sensibilidade aos hormônios, concomitantes a diferentes taxas de síntese de giberelinas, os quais são traduzidos como diferentes tempos de indução e desenvolvimento do tubérculo (Gregory, 1956). Batutis e Ewing, em 1982, testaram a hipótese de que o fitocromo estaria envolvido na regulação da tuberização de batata. Posteriormente, foi demonstrado que a luz vermelha no meio do período escuro reduzia a tuberização, diminuindo a produção do fotorreceptor (fitocromo B)

acumulado nas folhas (Figura 21.1) e envolvido na percepção da duração do comprimento do dia (Dutt et al., 2017).

A tuberização também é estimulada em enxertias interespecíficas. Plantas de tabaco (Nicotiana tabacum), cuja floração é induzida por fotoperíodos curtos, foram utilizadas para comprovar o efeito da sinalização do fotoperíodo na tuberização de enxertos de batata (Solanum tuberosum). Quando folhas de tabaco cultivado em fotoperíodo curto eram enxertadas em batatas mantidas em condições não indutoras de tuberização, ocorria indução do processo de tuberização nos enxertos. Em outra variedade de tabaco que requeria fotoperíodos longos para florescer (Nicotiana sylvestris) ocorria indução da tuberização em enxertos de batata se as folhas de tabaco fossem expostas a fotoperíodos longos. Como resultado, enxertos de tabaco em condições indutoras de floração foram favoráveis à indução de tuberização em batata, claramente indicando a presença de estímulo translocável, o qual não é espécie-específico.

O controle fotoperiódico da formação de órgãos de reserva engloba todos os aspectos do fotoperiodismo. A folha é o sítio receptor, sendo um ou mais estímulos produzidos pelas folhas translocados para as regiões de resposta; o comprimento da noite determina a resposta, e o fitocromo é o

pigmento fotorreceptor (ver Capítulo 17). A fotorreversibilidade vermelho– vermelho-extremo também foi comprovada em S. tuberosum, uma vez que a interrupção do período escuro por 5 min de luz vermelha reduz a tuberização, enquanto a luz vermelho-extrema reverte o efeito inibitório da luz vermelha.

Embora a natureza precisa do sinal ainda não seja conhecida, há fortes evidências de que o fotorreceptor fitocromo B (PHYB) esteja envolvido na regulação da expressão do gene constans (CO) nas folhas, o qual codifica

um fator de transcrição que regula negativamente a tuberização (Figura

21.1). Plantas transgênicas antissenso de S. tuberosum spp. Andigena com níveis reduzidos de PHYB se tornaram insensíveis ao comprimento do dia, tendo sido a tuberização induzida tanto em dias longos quanto nos curtos. O fitocromo A, um fator controlador do ritmo circadiano, também inibe a formação de tubérculos em batatas transgênicas sob condições não indutoras, evidenciando que a ação conjunta dos fitocromos A e B está envolvida na repressão da tuberização. Contudo, a proteína SP6A (self-pruning 6A) de batata, produzida nos feixes vasculares foliares e transportada via floema para o ápice do estolão, atua como promotora de tuberização. Além de SP6A, foram identificados outros três genes ortólogos de FT (flowering locus T) em batata: SP5 G, SP5 G-like e SP3D. Plantas de batata transformadas com o gene Hd3a, um ortólogo de FT em arroz, apresentam a formação de tubérculos mesmo quando cultivadas em fotoperíodos longos. A enxertia de plantas selvagens com folhas ou tubérculos de plantas transformadas também promoveu a tuberização em condições não indutivas, reforçando a importância de FT no controle da tuberização. Outros elementos móveis com potencial ação na regulação da tuberização em batata são os RNA BEL5 e miR172. Demonstrou-se que BEL5 regula centenas de genes mediadores de tuberização, muitos deles envolvidos no crescimento celular, na transdução de sinal, na transcrição e no metabolismo hormonal.

Além da batata, plantas de Begonia sp., Dahlia sp., Helianthus tuberosus, Phaseolus multiflorus, Phaseolus coccinius, Gladiolus sp.,

Oxalis sp. e várias outras espécies nativas (Figuras 21.2 e 21.3) têm a formação de tubérculos estimulada por dias curtos. Entretanto, existem espécies do gênero Allium, como cebola, cebolinha e alho, que acumulam reservas em fotoperíodos longos. Algumas espécies são indiferentes quanto ao fotoperíodo para a formação dos órgãos de reserva, como ocorre em yacón (Polymnia sonchifolia = Smalanthus sonchifolius), em que há o desenvolvimento da parte aérea por 6 a 7 meses, floração e intensificação do crescimento da raiz tuberosa com acúmulo de oligossacarídios derivados da hidrólise de frutanos (FOS), seguindo-se a senescência da parte aérea

após 10 a 12 meses no ciclo anual de desenvolvimento (Figura 21.4).

A temperatura também influencia todos os estágios da tuberização, ou seja, a indução do tubérculo, seu crescimento (volume, número, tamanho) e rendimento de reservas. Solanum tuberosum e Helianthus tuberosus (alcachofra-de-jerusalém) são espécies que necessitam de temperaturas baixas para tuberizar. Em batata, a temperatura ótima de tuberização é de cerca de 17°C, e temperaturas superiores a 30°C são inibitórias desse processo. Em particular, a temperatura noturna tem forte influência sobre a tuberização. Mesmo em espécies tropicais, como Pachyrryzus tuberosus, que tuberizam em fotoperíodos curtos, regimes alternados de altas temperaturas em fotoperíodo indutivo (30°C/25°C) inibem a formação de raízes tuberosas. Entretanto, temperaturas elevadas são favoráveis à tuberização de algumas espécies que formam seus órgãos tuberosos em dias longos, como cebola, alho e cebolinha.

Figura 21.1 A. Fatores ambientais, nutricionais, genéticos e possíveis moléculas sinalizadoras que induzem a tuberização em batata (inibição de StPHY B em dias curtos). B. Iniciação do tubérculo (moléculas sinalizadoras para o estolão, balanço de reguladores vegetais, fatores ambientais, disponibilidade de nutrientes e fatores de transcrição, síntese/inibição de proteínas ou genes). C. Desenvolvimento do tubérculo (alta intensidade luminosa, aumento da fotossíntese e síntese de enzimas específicas para o crescimento do tubérculo). Adaptada de Suárez-Lópes (2013), Aksenova et al. (2014) e Dutt et al. (2017).

 

 

Figura 21.2 Plantas tuberosas amiláceas subutilizadas e com alto potencial alimentício e farmacêutico: bulbilho aéreo de Dioscorea bulbifera (cará-do-ar) (A); tubérculo de Dioscorea olfersiana (cará) originária de Mata Atlântica (B); plantas de Dioscorea delicata (cará) da Mata Atlântica (C).

 

Os efeitos do fotoperíodo e da temperatura na indução da tuberização dependem da irradiância sob a qual a planta está crescendo. Respostas inibitórias de tuberização em S. tuberosum estimuladas por fotoperíodos longos e temperaturas altas são exacerbadas sob níveis baixos de irradiância. Estudos detalhados sobre o efeito do fotoperíodo na tuberização de batata sugerem que os resultados convergem em alguma etapa do desenvolvimento com aqueles controlados pela temperatura, provavelmente afetando um ou mais componentes comuns.

Um terceiro fator ambiental importante que afeta a indução da tuberização refere-se à quantidade de nitrogênio disponível para a planta. Se, por um lado, níveis altos de nitrogênio no solo reduzem a tuberização, por outro, temperaturas baixas podem inibir a absorção de nitrogênio, promovendo indiretamente a tuberização. Em solução hidropônica, mesmo sob fotoperíodo curto, a tuberização de S. tuberosum pode ser evitada pelo suprimento contínuo de amônia ou promovida se o suprimento de

nitrogênio for interrompido (ver Capítulo 6). Em Chrysolaena obovata (Vernonia herbacea), uma espécie de Asteraceae do cerrado brasileiro

(Figura 21.5), aplicações de nitrogênio estimularam a produção dos rizóforos no campo, aumentando, consequentemente, o rendimento de inulina, o polissacarídio de reserva acumulado nesses órgãos subterrâneos (Carvalho et al., 2007).

Figura 21.3 Outras plantas tuberosas tropicais amiláceas: parte aérea de taioba, Xanthosoma sagittifolium (A); órgão subterrâneo de reserva de taioba, utilizado na alimentação (B); ariá (Calatheia allouia) e suas raízes tuberosas (C).

 

Fatores endógenos

Muitas das informações obtidas estudando-se a relação entre os fatores ambientais e a tuberização evidenciam o controle hormonal desse processo. Entre os hormônios vegetais, as giberelinas têm sido implicadas em vários aspectos da formação do tubérculo de batata, sendo indicadas como reguladores negativos da tuberização, uma vez que condições ambientais que promovem esse processo causam decréscimo de giberelinas nos

estolões (ver Capítulo 11). Altas temperaturas estimulam a produção de giberelinas em gemas caulinares mais que em folhas, o que poderia estar relacionado com a inibição de tuberização causada por temperaturas elevadas. A retirada das gemas diminui o efeito inibitório da temperatura alta na tuberização.

 

Figura 21.4 Plantas de Smalanthus sonchifolius (yacón), com raízes tuberosas ricas em fruto-oligossacarídios (FOS) com propriedades medicinais: cultura comercial em Capão Bonito/SP (A), e detalhe do sistema subterrâneo (B).

Figura 21.5 Plantas do cerrado brasileiro ricas em polímeros de frutose (inulina): planta de Viguiera discolor (Aldama discolor) com xilopódio e raízes tuberosas (A) vegetando em condições naturais (B), com destaque para a inflorescência amarela (C) e para as raízes tuberosas (D); planta de Chrysolaena obovata (Vernonia herbacea) com destaque para os órgãos subterrâneos de reserva (rizóforos) (E).

 

Baixa irradiância tende a inibir a tuberização e aumentar a atividade giberelínica em folhas, mesmo quando estas são expostas a fotoperíodos curtos. Além de inibirem a tuberização de batata, fotoperíodos longos, temperaturas altas e irradiância baixa produzem efeitos sobre a morfologia do caule, os quais coincidem com os efeitos conhecidos das giberelinas. Quando vistas em conjunto, características relacionadas com a senescência, como folhas mais largas e finas, botões florais abortados, supressão de crescimento do caule, inibição do crescimento de ramos axilares, diminuição dos níveis de clorofila e antocianinas, sugerem que a redução dos níveis de giberelinas pode ser a causa das respostas adaptativas do crescimento de tubérculos em plantas de batata. Aplicações de ácido giberélico (AG) são efetivas na inibição da tuberização, mimetizando os efeitos de condições ambientais não indutivas. Os níveis da glicoproteína patatina, indicador bioquímico da tuberização, diminuem em estacas tratadas com AG3, e tratamentos com cloreto de 2-cloroetila trimetilamônia (CCC), que bloqueia a síntese de AG, estimulam a formação de tubérculos. Essas informações levam à conclusão de que giberelinas sejam de fato inibidores de tuberização.

Em S. tuberosum spp. andigena, plantas de tamanho normal necessitam de dias curtos para tuberização, enquanto um mutante anão com background genético similar tuberiza sob dias longos. O papel das giberelinas na tuberização sob influência do fotoperíodo e nanismo foi estudado por meio do fornecimento de GA marcada radioativamente com 12 14 C à parte aérea de plantas normais e mutantes. As análises mostraram uma redução na conversão de GA 12 a GA53 nas plantas anãs, passo inicial da via de síntese de giberelinas, que pode ter relação com o fenótipo dessas plantas. Observou-se que o mutante continha menos GA ativa, reforçando 1 a ideia de que a tuberização seria inibida por giberelinas (van den Berg et al., 1995; Davies 2009).

Diversas enzimas que regulam a síntese de giberelinas já foram caracterizadas em batata. A atividade da enzima de biossíntese GA20 oxidase 1 (GA20OX1) é inibida durante a tuberização, sendo a enzima GA2 OX1, do catabolismo desse hormônio, induzida nos estágios iniciais da formação do tubérculo. Além disso, a síntese de giberelinas é regulada pelo fotoperíodo, já tendo sido demonstrado que a expressão do gene GA20ox1 é controlada pelo fitocromo B (phyB). Segundo a hipótese proposta por Martinez-Garcia et al. (2002), a batata tem duas vias principais de regulação da tuberização, uma de giberelinas e a outra dependente do fotoperíodo, sendo as duas comunicantes entre si.

Ácido abscísico (ABA) normalmente é considerado um antagonista em processos promovidos pelas giberelinas, sugerindo-se, então, que o ABA poderia ser o hormônio promotor da tuberização em batata. O balanço ABA/AG em condições indutoras não fornece evidências de que essa hipótese seja verdadeira para a tuberização. Entre cultivares diploides de batata, encontrou-se um mutante incapaz de controlar a transpiração em decorrência da deficiência em ABA. Entre as características observadas para esse mutante, estava a tuberização em dias longos. Contudo, as funções do ABA no alongamento do estolão, na iniciação e no crescimento do tubérculo ainda não são claras e requerem mais estudos.

O cultivo in vitro de diferentes cultivares e linhagens transgênicas de S. tuberosum indicou que ácido indol-3-acético (AIA) e cinetina agem de forma diferenciada – o primeiro aumentando o tamanho dos tubérculos e o segundo modificando seu número. O grau de intensidade da resposta a esses fitormônios é dependente dos níveis de sacarose no meio de cultura e do genótipo do cultivar em estudo. Enquanto a necessidade desses hormônios vegetais de crescimento para promover a tuberização in vitro foi claramente demonstrada em Ullucus tuberosus, em Dioscorea delicata o processo de tuberização não ocorre in vitro, embora o metabolismo de carboidratos seja afetado pelos níveis de citocininas e de sacarose do meio de cultura (Chu e Figueiredo-Ribeiro, 2002).

As citocininas estariam envolvidas na indução de tubérculos através do estímulo das divisões celulares, que constituem uma das primeiras alterações morfológicas do processo de tuberização. Contudo, a parada de divisões celulares no meristema apical e posterior alongamento, divisão e deposição de amido nas células do meristema subapical do estolão não têm sido relacionados com o efeito desse hormônio. Desfavorecem essa hipótese observações de que os níveis de citocininas aumentam no ápice do estolão durante a tuberização, embora esse aumento seja pequeno e decline

após 4 dias de condições indutoras (ver Capítulo 10). Sob condições favoráveis à indução de tuberização in vitro, a aplicação exógena de citocinina resultou na formação de tubérculos em plantas intactas de batata. No entanto, experimentos com plantas e gemas axilares de batata transformadas com o gene Ipt – que codifica a principal enzima de biossíntese desse regulador hormonal –, as quais apresentam níveis elevados de citocinina endógena, mostram resultados contrastantes. Enquanto, em plantas intactas transformadas com Ipt, o início da tuberização foi adiantado em comparação às plantas-controle, o efeito inverso, de inibição da tuberização, foi observado em gemas axilares transformadas com Ipt (Gális et al., 1995).

Alguns compostos fenólicos podem atuar como sinalizadores da tuberização, destacando-se o glicosídio de ácido tuberônico (GAT) e o ácido jasmônico (AJ) e seus derivados. O ácido jasmônico, por exemplo, promove a tuberização de batata quando o processo é inibido por AG in vitro ou por condições fotoperiódicas inibitórias. Ácido octadecanoico e derivados do ácido alfalinoleico, entre eles o metiljasmonato e o ácido jasmônico, estão envolvidos no transporte dos sinais provenientes das folhas para os órgãos-alvo, atuando nos mecanismos de defesa contra herbívoros e patógenos, além de afetar a tuberização de S. tuberosum por meio do estímulo à expansão radial, à formação de tecido de sustentação periférico e à inibição do alongamento.

Outra classe de substâncias relacionadas com o desenvolvimento de tubérculos de batata são as poliaminas, que aumentam o número de tubérculos e reduzem seu tamanho, afetando a distribuição dos carboidratos neles armazenados.

Levando-se em conta que um grande número de genes está envolvido no controle da tuberização, é provável que as condições indutoras do processo desencadeiem, simultaneamente, mudanças nas concentrações de vários compostos por síntese e degradação destes, e o balanço entre essas substâncias controlaria a tuberização. Além dos hormônios, outros fatores fazem parte desse balanço, como os níveis de carboidratos ou a razão carbono/nitrogênio.

Como já mencionado para a batata, em mandioca (Manihot esculenta) fatores endógenos e ambientais podem induzir a formação da raiz tuberosa. No entanto, os mecanismos envolvidos nesse processo em mandioca e os de regulação do acúmulo de amido e do metabolismo de carboidratos durante a tuberização podem diferir substancialmente dos da batata, uma vez que os tubérculos de batata se originam de um caule subterrâneo e a raiz que armazena amido em mandioca faz parte do sistema radicular. Análises proteômicas durante o acúmulo de amido em raízes tuberosas de mandioca permitiram detectar mais de 1.500 spots e identificar por espectrometria de massas 154 proteínas diferencialmente expressas relacionadas com o metabolismo de carboidratos, particularmente com amido e sacarose. Entre as proteínas induzidas, foram identificadas três isoformas da proteína 14-3-3, além de diversas proteínas de ligação à 14-3-3, como AGPase, IF5A (um fator de iniciação da tradução), MADH (álcool desidrogenase mitocontrial), GST (glutationa S-transferase) etc. A superexpressão de um gene 14-3-3 de mandioca em Arabidopsis thaliana confirmou que as raízes e folhas dessas plantas transgênicas continham teores mais elevados de açúcar e amido que as da planta selvagem. Assim, as proteínas 14-3-3 e suas enzimas de ligação podem desempenhar importantes funções no acúmulo de amido e no metabolismo de carboidratos durante a tuberização da raiz de mandioca (Wang et al., 2016).

 

Metabolismo dos carboidratos em órgãos tuberosos Além das diferenças observadas no padrão de divisão celular, resultando em modificações morfológicas no estolão de S. tuberosum, outras alterações mensuráveis podem ser detectadas após a indução do processo de tuberização, como aumento da fotossíntese, aumento no transporte de carboidratos para os tubérculos em formação, decréscimo no teor de açúcares redutores e aumento de sacarose e biossíntese de amido. Esses processos aparentemente independentes culminam na formação do órgão de reserva.

O acúmulo e a mobilização de carboidratos durante a tuberização diferem entre as plantas. Em batata, imediatamente após a indução de tuberização, o estolão cessa o crescimento em extensão e os fotoassimilados são preferencialmente translocados para a região subapical, na qual se inicia o desenvolvimento do tubérculo. Em Pachyrhizus erosus, espécie da família Papilionoideae, nativa do México, o mesmo padrão é observado com o acúmulo de carboidratos no tubérculo após uma fase de desenvolvimento ativo. Em mandioca, somente após o pleno desenvolvimento da parte aérea, tem início a formação das raízes tuberosas, por meio do crescimento lateral e vertical de raízes adventícias. Com a formação do órgão de reserva, seguem-se a perda de folhas, a senescência do caule e a dormência, permitindo a sobrevivência das plantas em condições desfavoráveis, como falta de água ou temperaturas extremas. Chrysolaena obovata, que acumula carboidratos do tipo frutanos em seus rizóforos, apresenta um padrão de acúmulo e mobilização de reservas nos órgãos subterrâneos similar ao da mandioca. No começo do inverno, quando se inicia o período de dormência, ocorrem um aumento na síntese de frutanos e a expansão dos rizóforos, induzidos por um incremento nos níveis de auxina. No início da brotação, há queda nos teores de ácido abscísico nos rizóforos com concomitante estímulo à mobilização das reservas (Rigui et al., 2015).

O transporte de fotoassimilados (principalmente sacarose) dos órgãos aéreos para o ápice do estolão é considerado uma das forças promotoras da iniciação e do crescimento do tubérculo, e a diminuição do transporte de sacarose acarreta a redução da formação e produtividade de tubérculos. Outro indício do papel da sacarose na formação dos tubérculos vem da supressão da expressão do transportador de sacarose SUT4 em plantas de batata, resultando no aumento da produção de tubérculos, mesmo em condições não indutoras (dias longos). Observaram-se nas plantas transgênicas um maior acúmulo de sacarose nas folhas no final do período luminoso, maior translocação de sacarose e, consequentemente, maior acúmulo de sacarose e amido nos tubérculos.

A sacarose é degradada por invertases (INV) ou pela sintetase de sacarose (SUSY) (na forma reversa) no vacúolo ou no citoplasma; a glicose e a frutose liberadas são fosforiladas e exportadas para os amiloplastos, iniciando a formação dos grânulos de amido. A síntese de amido nos amiloplastos dos tubérculos é similar à que ocorre nos cloroplastos, envolvendo: uma fosfoglucomutase plastidial; um complexo proteico ADP-glicose pirofosforilase, enzima-chave na síntese do amido; a sintetase de amido, que promove o alongamento das cadeias do alfa-1,4-glucano; e enzimas ramificadoras, responsáveis pela microestrutura do grânulo de amido. A conversão de sacarose em amido é dependente de ATP. Os genes codificando as diferentes enzimas modificadoras de amido (ramificadoras, amilases, fosforilases) seguem um perfil de indução de expressão durante o desenvolvimento do tubérculo, promovendo o acúmulo de amido (Kloosterman e Bachem, 2013).

Os níveis de sacarose também atuam como sinais de dreno para mobilização das reservas armazenadas nas células parenquimáticas dos tubérculos de batata, de acordo com a demanda. Plantas de batata transgênica expressando uma invertase citosólica de levedura nas células floemáticas apresentaram uma diminuição drástica nos níveis de sacarose nos tubérculos em virtude da atividade da invertase. Em consequência, houve uma diminuição no crescimento dos brotos e um estímulo para a degradação do amido armazenado. Uma vez que a hidrólise da sacarose leva ao metabolismo acelerado de hexoses, não foi possível distinguir se os efeitos observados resultavam dos níveis de sacarose ou das hexoses dela derivadas. Para descartar o efeito das hexoses, plantas de batata foram transformadas com uma isomerase de sacarose oriunda de Erwinia rhapontici (Börnke et al., 2002), que catalisa a conversão reversível de sacarose para palatinose, carboidrato não metabolizado pelas células vegetais. Nessas plantas, em contraste com aquelas que expressam a invertase, não houve conversão de sacarose em hexoses, tendo sido mantido o estímulo para hidrólise de amido. Esses resultados sugerem fortemente que os níveis de sacarose são responsáveis pela regulação dos processos metabólicos que ocorrem durante a transição dos tubérculos de órgão-dreno (fase de tuberização) para órgão-fonte (quebra de dormência e brotação de ramos aéreos).

Fatores ambientais e hormonais alteram a translocação de sacarose, que corresponde a 80 a 85% do conteúdo orgânico do floema. Assim, alta temperatura, limitação da luz, estresse hídrico e baixa concentração de sais minerais reduzem o crescimento dos órgãos de reserva por meio de alterações na translocação da sacarose.

O interesse acadêmico no esclarecimento completo do metabolismo da

sacarose nos últimos anos é indiscutível. A Figura 21.6 esquematiza as principais vias metabólicas envolvendo a sacarose e os polissacarídios de reserva mais estudados, amido e frutanos.

A sacarose também é o carboidrato iniciador da biossíntese dos frutanos, polímeros de frutose acumulados em quantidades apreciáveis nos vacúolos de espécies pertencentes a famílias consideradas mais derivadas,

como as incluídas nas ordens Poales e Asterales (Figura 21.7). Esses polímeros podem estar envolvidos na crioproteção e na regulação da pressão osmótica em plantas sob estiagem, além de atuarem como reserva de carboidratos (Carvalho e Figueiredo-Ribeiro, 2001; Carvalho et al., 2007; Livingston et al., 2009). O frutano mais simples é um trissacarídio, tendo sido isolados três isômeros que compõem as séries homólogas de frutanos:

Figura 21.6 Esquema geral do armazenamento de carboidratos em plantas herbáceas perenes com órgãos de reserva. Adaptada de Avigad e Dey (1997) e Dennis e Blakeley (2000).

 

• Inulina, que tem 1-cestose como base e ligações beta-2,1 F, com grau de

polimerização (GP) máximo de 35 e peso molecular aproximado de 5

kDa, encontrada em espécies de Asteraceae do cerrado brasileiro, como

Chrysolaena obovata; mais de 60% dos representantes dessa família

acumulam esses polímeros nos órgãos subterrâneos de reserva,

atingindo quantidades superiores a 70% da massa seca desses órgãos.

Em Aldama discolor (Viguiera discolor), outra espécie do cerrado, a

inulina tem cadeias até cinco vezes mais longas que nas demais

Asteraceae

Figura 21.7 Estrutura de compostos acumulados nos órgãos de reserva de plantas nativas e cultivadas: sacarose (A) e trissacarídios (B a D) originários das séries de polímeros de frutose, pendulina – antifúngico de Dioscorea delicata (E), alcaloides tropanos (F, G) e saponinas triterpênicas de Dioscorea delicata (H).

 

• Levano ou fleano, com o precursor 6-cestose, ligações beta-2,6 F, GP

máximo de 250 e peso molecular entre 5 e 50 kDa, encontrados

principalmente em Poaceae. Gomphrena macrocephala, uma

Amaranthaceae do cerrado, e G. marginata, dos campos rupestres,

acumulam quantidades apreciáveis de fleano nas raízes tuberosas (Vieira

e Figueiredo-Ribeiro, 1993; Joaquim et al., 2017) • Série da neocestose com ligações beta-2,6 G e GP entre 8 e 10, comum

em Liliaceae. A primeira etapa da síntese dos frutanos envolve a enzima

sacarose:sacarose frutosil-transferase (SST), que catalisa

irreversivelmente a transferência da frutosila da sacarose doadora à

sacarose aceptora, originando o trissacarídio 1-cestose, que, por sua vez,

é o aceptor de outras unidades de frutosila, por meio de reação

catalisada pela frutano:frutano frutosil-transferase (FFT), permitindo o

aumento ou a redução da cadeia do polímero sem gastos de energia

(Carvalho e Figueiredo-Ribeiro, 2001; Carvalho et al., 2007).

Além dos carboidratos já mencionados e de outros polissacarídios solúveis, como os glucomananos, outros compostos são acumulados nos órgãos de reserva. Destacam-se as proteínas de reserva armazenadas em corpos proteicos (patatina e esporamina, respectivamente em batata e batata-doce), os glicosídios cianogênicos em mandioca, as saponinas esteroidais (precursores de hormônios sexuais e adrenocorticais) em espécies de Dioscorea, os glicosídios fenólicos e flavonoides como antocianidinas (responsáveis pelas colorações rósea e vermelha dos tubérculos) e copigmentos, as saponinas triterpênicas de ginseng (Panax ginseng – Araliaceae), os alcaloides tropanos (hioscianina e escopolamina) em Mandragora officinalis (Solanaceae), e as naftoquinonas (antibióticos e corantes) em Lithospermum erythrorhizon (Boraginaceae).

 

Importância econômica dos órgãos tuberosos Conforme enfatizado nos itens anteriores, além de ocupar posição central no metabolismo e no controle do desenvolvimento das plantas, a sacarose tem destacada importância econômica na agricultura, pois é um dos principais alimentos da maioria dos organismos vivos. O interesse prático pelos estudos do metabolismo de sacarose e dos carboidratos de reserva dela derivados vem sendo ampliado de forma crescente nas últimas décadas, em virtude da possibilidade de criação de plantas transgênicas mais eficientes na síntese e no acúmulo de sacarose e na sua conversão em biomassa e energia, isto é, na produção do biocombustível etanol após hidrólise das reservas e fermentação.

A região andina é reconhecida como um dos mais importantes centros mundiais de origem das espécies cultivadas, e cerca de 25 culturas tuberosas foram domesticadas nessa região, incluindo a batata. Um aspecto curioso é que essa grande diversidade de culturas evoluiu em uma das regiões menos apropriadas para a agricultura, por meio de adaptações a condições ambientais extremas. Nos trópicos úmidos, essas culturas tuberosas constituíram a única fonte de alimento de extensas populações antes da introdução dos cereais. Hoje, representam o segundo mais importante conjunto de culturas alimentares nos países em desenvolvimento, antecedidos apenas pelos cereais.

As raízes e os tubérculos de espécies andinas eram predominantes na dieta durante o Império Inca, o que não surpreende, já que os órgãos subterrâneos constituem uma eficiente estratégia de sobrevivência em ambientes inóspitos. Além disso, raízes e tubérculos produzem o mais elevado rendimento em calorias por área cultivada. As espécies andinas mais importantes na alimentação, além da batata, são uluco (Ullucus tuberosus – Baseallaceae), produtora de vitamina C e saponinas; Arracia xanthorrhiza (Umbelliferae), oca (Oxalis tuberosa – Oxalidaceae), manchua (Tropaeolum tuberosum – Tropaeolaceae) e yacón (Smallanthus sonchifolius – Asteraceae), produtora de FOS, como já mencionado anteriormente, sendo consumida como fruta, especialmente por diabéticos.

Órgãos subterrâneos de algumas espécies tuberosas nativas ou cultivadas no Brasil e potencialmente úteis podem ser observados nas

Figuras 21.2 a 21.5, e as estruturas químicas dos principais compostos nelas

encontrados estão representadas na Figura 21.7.

Além da batata, outras espécies ricas em carboidratos solúveis, como a cenoura (Daucus carota) e a beterraba (Beta vulgaris), são consumidas mundialmente e exemplificam como a domesticação pode afetar as propriedades nutricionais das raízes. Curiosamente, as variedades modernas de cenoura foram selecionadas pelo alto conteúdo de betacarotenos, a partir de variedades de cor branca ou púrpura, com altos níveis de antocianinas. Igualmente, a beterraba-açucareira foi selecionada para altas concentrações de sacarose (20% da massa seca), a partir de variedades que continham menos de 2% desse açúcar em suas raízes tuberosas. A mandioca se destaca como uma das mais importantes culturas tropicais, acumulando cerca de 80% de amido, sendo tolerante à seca e fornecendo alimento para mais de 600 milhões de pessoas no mundo.

Entre as espécies que contêm frutanos, Helianthus tuberosus e Cichorium intybus (Asteraceae) são cultivadas para a produção comercial de inulina e, também, para o consumo como legumes (Carvalho et al., 2007; Figueiredo-Ribeiro et al., 2007). Sua produção, no entanto, é inferior à da beterraba-açucareira. A tecnologia agrícola utilizada na cultura das duas espécies produtoras de inulina é a mesma já aperfeiçoada para batata e beterraba, o que facilitou sua produção e comercialização. Entretanto, após a coleta dos tubérculos, a inulina é rapidamente metabolizada, produzindo frutose e FOS, especialmente quando armazenados sob temperaturas baixas. Assim, o processamento dos tubérculos deve ser realizado de forma rápida, caso o interesse seja a produção de inulina de alto peso molecular. Por sua vez, se o interesse comercial consiste na produção de concentrados de frutose de alta pureza ou de FOS, a labilidade dos frutanos durante o armazenamento é uma característica vantajosa.

Muitos órgãos subterrâneos consumidos como alimento pelo homem também vêm sendo utilizados para tratamento de várias doenças. É o caso de raízes tuberosas cujas propriedades são atribuídas às formas humanas que as apresentam, como as de ginseng (Panax ginseng), da China, de pfafias (Pfaffia paniculata e P. jubata) e de paratudo (Gomphrena macrocephala), da família Amaranthaceae, amplamente distribuídas nos cerrados brasileiros. Os efeitos fisiológicos da utilização dessas espécies têm base bioquímica definida, resultando provavelmente da presença de saponinas triterpenoidais atuando como tonificantes e estimulantes dos mecanismos de defesa contra patógenos.

Substâncias com atividades similares, constituindo a base para a semissíntese de hormônios esteroidais, vêm sendo extraídas de tubérculos de várias espécies de cará (família Dioscoreaceae), como aquelas de origem africana e asiática, Dioscorea sylvatica e D. deltoidea. Entre as espécies brasileiras, D. delicata contém essas substâncias e também se mostrou eficaz como antibiótico, em virtude da presença de uma substância do grupo fenantreno, denominada pendulina.

 

Conclusões e perspectivas

A formação e o crescimento de órgãos tuberosos são processos complexos regulados por diferentes sinais ambientais e hormonais. As etapas iniciais do processo de tuberização não estão completamente elucidadas, estando envolvidos os fitocromos A e B e a translocação de moléculas sinalizadoras aos órgãos-alvo, onde, pela ação dos hormônios vegetais, os produtos da fotossíntese são redirecionados para a formação de polissacarídios. Numerosos trabalhos na literatura descrevem a importância de giberelinas, citocininas, ácido jasmônico e compostos relacionados e de ácido abscísico na indução de tuberização. Embora os dados sejam muitas vezes contraditórios, uma observação clara reside no fato de que os níveis de giberelinas declinam durante o processo de tuberização.

Estudos sobre caracterização imunocitoquímica e molecular do

florígeno (ver Capítulo 18) em arroz (Tamaki et al., 2007) sugeriram que praticamente todas as respostas associadas à transição do desenvolvimento vegetativo (tuberização) para o reprodutivo (floração) e induzidas pelo fotoperíodo são produzidas pela proteína Hd3a/FT, descrita como fator morfogênico móvel e que regula as múltiplas fases do crescimento vegetal controladas pelo comprimento dos dias. Recentemente, em revisão do processo de tuberização de batata, Dutt et al. (2017) enfatizaram a existência de outros sinais translocáveis (StSP6A, StBEL5, miR 172 e ácido giberélico), considerados indutores da transformação do estolão em tubérculo. A produção e, possivelmente, a translocação desses quatro fatores são reguladas por uma complexa rede de genes. StPHYB, StSUT4 e StCO reprimem a tuberização em resposta a dias longos. AG também parecem atuar como repressores, e StSP6A, StmiR172 e StBEL5 agem como promotores de tuberização em dias curtos. Contudo, sob dias longos, StPHYB reprime a expressão de StSP6A e StGA20ox1, que codifica uma enzima que catalisa a síntese de AG 20 (Suarez-López, 2013; Aksenova et al., 2014; Dutt et al., 2017).

Contudo, a compreensão clara das vias de transdução de sinal de indução do tubérculo de batata continua sendo alvo de relevantes pesquisas, especialmente na tentativa de decifrar os mecanismos moleculares que desencadeiam tal processo. Essa compreensão torna-se ainda mais relevante diante das mudanças climáticas globais, considerando a importância econômica dos órgãos tuberosos na alimentação e as exigências de uma população humana em contínuo crescimento. Esse conhecimento permitirá cultivar a batata, por exemplo, sob uma ampla gama de condições ambientais que hoje limitam sua produção, como temperaturas altas e fotoperíodos longos.

Várias ferramentas biotecnológicas e genômicas já podem ser utilizadas para manipular a produção de biomoléculas e a regulação dos mecanismos moleculares envolvidos, com o intuito de aumentar a produtividade das culturas tuberosas, particularmente da batata. Até o momento, já foram identificados 12 genes (StSP6A, StTFL1, StPOTH1, StBEL5, miR172, POTM1, StCDF, StPA2Ac, StTUB19, StTUB7, StABF2 e StABF4), que regulam positivamente o processo de tuberização e cinco genes (StPHYB, StCO, StSUT4, StSP5 G e StRAP1) considerados reguladores negativos do processo. Portanto, a manipulação desses genes poderá ser utilizada futuramente para aumentar a produtividade de batata por meio da engenharia genética (Dutt et al., 2017).

Ressalta-se também a importância das plantas do cerrado brasileiro, ricas em polímeros de frutose, como aquelas já estudadas e mencionadas anteriormente neste capítulo, como fonte alternativa para a produção de biocombustível, além de sua utilização como alimento funcional (Carvalho et al., 2001). Outros compostos de interesse econômico, como os hormônios esteroidais armazenados nos órgãos tuberosos, são efetivamente conhecidos e utilizados até o momento. Essas substâncias constituem a base das defesas químicas e das reservas energéticas das plantas contra herbívoros e patógenos, por meio de mecanismos não totalmente desvendados, considerando a sobrevivência do indivíduo em ambientes competitivos e com grande predação.

O conhecimento básico sobre o processo de tuberização e metabolismo dos compostos armazenados nesses órgãos tuberosos representa, portanto, uma forma de ampliar seu potencial econômico e elevar a produção agrícola mundial.

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