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Vet. Not ., Uberlândia, v.21, n. 1, p.1-10, jan./jun. 2015
REVIEW
ANATOMIA FOLIAR DE FORRAGEIRAS E A SUA RELAÇÃO COM O VALOR
NUTRITIVO
Kelen Cristina Basso1*, Leandro Martins Barbero^2
RESUMO
Procedimentos adicionais no estudo de gramíneas são necessários para melhorar o desempenho animal nas regiões tropicais do Brasil, pois o aumento no consumo voluntário de forragem está relacionado ao volume de parede celular nas lâminas foliares, referentes aos tecidos vasculares, esclerênquima, células da bainha parenquimática dos feixes, que nas gramíneas C 4 apresentam-se bem desenvolvidas e podem influenciar na acessibilidade dos microrganismos no rúmen. Soma-se a este fato as mudanças no valor nutritivo e na estrutura do pasto, que variam ao longo das estações do ano e podem estar correlacionadas a proporção e distribuição desses tecidos. Os tecidos se diferenciam na planta por diversos fatores, um deles é a presença ou não de parede celular secundária, outro fator importante é o arranjo que existe entre eles e que pode gerar barreiras aos microrganismos do rúmen, limitando a digestão. Por isso, é muito importante conhecer a anatomia das forrageiras, não apenas com o objetivo de adequar estratégias de manejo, tratamentos físicos e químicos, ajudar na seleção e melhoramento de forrageiras, mas também explicar as respostas obtidas com o desempenho animal, e este talvez seja o principal objetivo de se conhecer tais barreiras por meio do estudo da anatomia foliar. Esta revisão tem como objetivo expor algumas diferenças entre plantas de ciclo C 3 e C 4 , com principal ênfase nas características anatômicas, avaliadas por meio da microscopia de luz e eletrônica, além de demonstrar a importância dos tecidos que constituem as lâminas foliares
e suas funções específicas e relações com o valor nutritivo.
Palavras-chave: Gramíneas, Microscopia de luz, Porcentagem de tecidos.
INTRODUÇÃO
Os ruminantes têm como fonte principal de energia a parede celular das forrageiras, por isso, é muito importante conhecer as barreiras que limitam a utilização de gramíneas e leguminosas, não apenas com o objetivo de adequar estratégias de manejo, tratamentos físicos e químicos, ajudar na seleção e melhoramento de forrageiras, mas também explicar as respostas obtidas com o desempenho animal, e este talvez seja o principal objetivo de se conhecer tais barreiras por meio do estudo da anatomia foliar. A parte mais consumida das forrageiras pelos animais são as folhas, estas são diferentes quanto à proporção de tecidos e os componentes das paredes celulares entre as espécies, estádio vegetativo, época do ano e podem ocorrer mudanças na estrutura anatômica devido ao ataque de insetos, doenças e condições de estresse como mecanismo de sobrevivência ou tolerância da planta. Os estudos anatômicos com forrageiras visando a verificar o efeito da anatomia na digestibilidade tiveram início a partir de 1970 (AKIN, 1973). Estes estudos complementam as informações sobre os fatores que interferem na qualidade das forrageiras, visto que nem sempre a análise química, a digestibilidade e estrutura do dossel
*Artigo recebido em: 1. 18/12/2013 Aceito para publicação em: 13/04/ Faculdade de Medicina Veterinária da Universidade Federal de Santa Catarina 2.Faculdade de Medicina Veterinária da Universidade Federal de Uberlândia *corresponding author: [email protected]
QUEIROZ, A. P. L. B. DE.; CARVALHO, C. M. C.; MARTINS, J. M. DA S.; LITZ, F. H.; FERNANDES, E. DE A.
explicam todas as variações no consumo das forrageiras (LEMPP, 2007). A anatomia da folha pode influenciar no valor nutritivo das forrageiras com consequências no desempenho animal, pois os tecidos são diferentes quanto à digestão no rúmen e isto decorre do tipo de parede celular, da localização e distribuição dentro da folha. Alguns tecidos como as células do mesofilo e do floema não possuem parede celular secundária e, portanto, não são passíveis de lignificação, sendo rapidamente digeridas. Os demais tecidos possuem tal parede e podem variar quanto à porcentagem de lignina, celulose e hemicelulose devido aos fatores citados anteriormente e desta forma influenciam na digestibilidade sendo parcialmente ou não degradados no rúmen. Esta revisão tem como objetivo expor algumas diferenças entre plantas de ciclo C 3 e C 4 , com principal ênfase nas características anatômicas, e demonstrar a importância dos tecidos que constituem as lâminas foliares e suas funções específicas.
1. Uso da microscopia de luz e eletrônica no estudo das forrageiras 2. O estudo interno das estruturas dos vegetais é feito observando-se os cortes
finos de tecido vegetal em microscópio de luz. Lâminas foliares de gramíneas ou leguminosas são coletadas no campo com determinados critérios de amostragem e armazenadas em soluções fixadoras, que promovem a morte das células e sua preservação estrutural em estado próximo do material fresco_._ As principais substâncias fixadoras são formol, o álcool, iodo, bicromato de potássio e os ácidos acético, pícrico crômico e ósmico. A escolha do uso de soluções depende dos objetivos do trabalho a ser realizado. A primeira etapa da preparação das lâminas permanentes é a desidratação, onde a solução fixadora é substituída por álcool e a concentração deste aumenta gradativamente, o objetivo é preservar a integridade das células (JOHANSEN, 1940). A segunda etapa é substituir todo o álcool por parafina e posteriormente Paraplast®, este último, é parecido com a parafina, porém com um grau de pureza maior. Depois são feitos pequenos blocos com cada fragmento de célula e levados ao refrigerador. Cada bloco é identificado e os cortes são realizados em um equipamento chamado micrótomo rotatório, efetuando- se a montagem das lâminas. Esse esquema esta demonstrado na figura 1.
Figura 1. Blocos de Paraplast® contendo os fragmentos de folhas, micrótomo rotativo e montagem das lâminas nas dependências do laboratório de bromatologia da UFGD. (Fonte: Basso, K.C. Arquivo pessoal).
Existem muitos tipos de coloração de tecidos vegetais, o uso de corantes é
necessário para evidenciar as estruturas celulares, resultando em maior facilidade
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do rúmen às células do mesofilo (QUEIROZ, 1997).
Figura 2. Anatomia foliar de C 3 (esquerda) e C 4 (direita). Imagen de: Purves et al., 2001. Life: The Science of Biology , 4° Ed., Sinauer Associates (www.sinauer.com) e WH Freeman (www.whfreeman.com).
Bainha parenquimática dos feixes (BPF): Constitui um grupo de células especializadas, ricas em cloroplastos, e envolvidas no processo assimilatório, circunda os feixes vasculares nas espécies C 4 (anatomia Kranz). Uma bainha de células também circunda os feixes vasculares nas espécies C 3 ; entretanto, é pouco desenvolvida, desprovida de cloroplastos e facilmente digerida pelos microrganismos do rúmen (WILSON, 1993). A digestibilidade da BPF varia consideravelmente entre os grupos C 3 e C 4 e entre espécies do grupo C 4. Entre gramíneas C 3 e C 4 do gênero Panicum , a BPF parece ser uma importante causa da variação na digestibilidade, uma vez que essas células possuem baixa digestão devido ao espessamento da parede celular secundária, e isto, associado à alta proporção deste tecido nas espécies C 4 , refletirá na taxa de degradação e reduzirá a digestão da matéria seca (AKIN et al., 1983).
Tecido vascular: O tecido vascular compreende as células do floema, xilema e fibras associadas. As células do floema, as quais apresentam parede celular delgada, são ricas em conteúdo celular e rapidamente digeridas pelos microrganismos do rúmen (WILSON, 1993). As células do xilema e das fibras apresentam parede celular espessada, sendo destituídas de conteúdo celular. No colmo, normalmente, há um anel de células esclerenquimáticas circundando o feixe vascular, caracterizado também como tecido vascular (QUEIROZ, 1997). Esclerênquima: É formado por células que desenvolvem grossa parede celular, que se tornam progressivamente lignificadas. Em gramíneas, a parede secundária varia de 2 a 5 μm de espessura (WILSON, 1993). Em folhas de gramíneas, o esclerênquima ocorre acima e abaixo dos feixes vasculares, enquanto no colmo ele forma uma capa de células envolvendo cada feixe vascular e, com a maturidade, um anel subepidérmico circundando todos os feixes.
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Figura 3. Corte transversal da lâmina foliar de Stylosanthes guianensis cv. Bandeirantes (C 3 ); EAD – Epiderme adaxial; EAB – Epiderme abaxial; FVS – Feixe vascular secundário; PP – Parênquima paliçádico; PL – Parênquima lacunoso; EIC – Espaço intercelular. (Adaptado de DUBEUX Jr. et al., 2009).
Figura 4. Seção transversal da lâmina foliar de Tifton-85 ( Cynodon spp)(C 4 ) manejado sob diferentes índices de área foliar residual, pastejado por ovinos (BASSO et al., 2011a).
2.2. Digestão dos tecidos e sua correlação com o valor nutritivo As taxas de digestão variam entre os tecidos e de acordo com o arranjo destes dentro da lâmina foliar. A proporção de tecidos é mais comumente medida como a área relativa em secções transversais das frações da planta. AKIN e AMOS (1975) demonstraram que as células do mesofilo e as do floema, de parede celular delgada, não passíveis de lignificação, digeridas nas
primeiras 12 horas de incubação, enquanto as da epiderme e as da bainha parenquimática dos feixes são de digestão lenta e parcial, podendo levar de 12 a 72 horas de digestão dependendo da espessura das paredes secundárias das células da bainha. O esclerênquima e o xilema, que apresentam parede celular espessa e lignificada, são indigestíveis (AKIN, 1989) (Tabela 1).
Tabela 1. Classificação dos tecidos quanto a sua digestão.
Gramíneas Digestão relativa dos tecidos* Rápida Lenta e parcial Não degradada
Tropicais
MES
FLO
EPI
BPF
XIL
ESC
Temperadas
MES
FLO
EPI
BPF
BPF
ESC
XIL
ESC
*Perda de tecidos determinada por microscopia eletrônica de varredura ou transmissão. MES
- mesofilo, FLO - floema, EPI - epidermes, BPF - bainha parenquimática dos feixes, ESC - esclerênquima, XIL - xilema, BPF – bainha interna dos feixes. Fonte: Compilada de AKIN,
Devido ao arranjo paralelo longitudinal das principais estruturas de tecidos, essas medidas aproximam-se bem do volume de cada tipo de tecido, exceto para folhas de leguminosas, em função dos feixes vasculares estarem disposto de forma ramificada, onde as nervuras mais delgadas vão divergindo de outras de maior calibre, comum em dicotiledôneas e denominada de venação reticulada (WILSON, 1993). Entretanto, a proporção
de tecidos normalmente não leva em conta espaços intercelulares de ar ou a espessura e o grau de lignificação da parede celular nos vários tecidos. Consequentemente, a proporção de tecidos nem sempre explica pequenas diferenças na digestibilidade in vitro da matéria seca entre espécies ou cultivares (QUEIROZ, 1997). As células do mesofilo contêm alto teor de proteína bruta no conteúdo celular e carboidratos digestíveis na parede,
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vascular, os principais componentes da fibra encontrada nas fezes de ruminantes. As células da BPF representam geralmente de 20 a 35% da seção transversal, sendo que essas células geralmente são associadas com o acúmulo de biomassa, com seu aumento ocorre também aumento na largura das folhas e na área foliar (LEMPP, 2007). Assim, a quantificação da área ocupada pelos tecidos da BPF em uma seção transversal pode ser bom indicativo do valor nutricional, pois possibilita identificar as cultivares que poderão influenciar na maior digestibilidade em função da produção de tecidos lignificados. Os fatores estruturais da forragem, de origem anatômica, relacionados à qualidade de lâminas foliares são vários, impossibilitando que características individuais, como a proporção de tecidos altamente digestíveis, como o mesofilo, possa distinguir os genótipos de maior valor nutricional (LEMPP et al., 2009). Da mesma forma, os resultados da composição química, quando associados ao estudo dos arranjos dos tecidos gera resultados mais completos, pois no processamento das amostras, moagem, elimina-se o efeito da resistência física dos constituintes da parede celular. WILSON et al., (1989) verificaram que genótipos de Cenchrus ciliaris com folhas mais pesadas e com alta área foliar específica (g de MS cm-2) foram associadas às maiores proporções de tecidos de paredes espessas (BPF+TV+ESC) na seção transversal da lâmina foliar. Porém, ainda são poucos os estudos realizados para avaliar a estrutura de lâminas foliares e principalmente sua correlação com os atributos morfofisiológicos e químicos. O colmo das gramíneas consiste, externamente, da epiderme que delimita um tecido parenquimatoso, no qual se encontram dispersos os feixes vasculares envolvidos por um anel esclerenquimático. Os feixes vasculares são similares àqueles encontrados nas folhas, normalmente apresentando um anel de fibras circundando cada feixe. Nos estádios
iniciais de desenvolvimento, somente o xilema é lignificado, contudo, com a maturação, há progressiva lignificação que inclui o anel esclerenquimático e, num estádio mais avançado, até o parênquima em que os feixes estão inseridos (AKIN, 1989).
4. Principais diferenças entre gramíneas C 3 e C 4 As plantas C 3 tem como primeiro composto estável da fotossíntese um composto com três carbonos, sendo consideradas aquelas plantas que possuem somente a enzima RUBISCO, pertencente ao Ciclo de Calvin, como alternativa para a fixação do carbono. A reação de carboxilação da RUBISCO resulta na produção de duas moléculas do mesmo composto de três carbonos (Glicerato 3- fosfato) e este grupo é composto pela maior parte das plantas (TAIZ e ZEIGER, 2009). Algumas plantas, principalmente gramíneas e parte das bromélias, desenvolveram um sistema complementar à via C 3 chamado de via C 4. Este sistema permite à folha o armazenamento de ácidos com quatro carbonos antes de estes serem captados pela RUBISCO. Neste caso há uma mudança morfológica importante que é a existência da bainha parenquimática dos feixes (Figura 2). Nas plantas C 4 o gás carbônico é captado nas células do mesofilo pela enzima FosfoEnol Piruvato carboxilase (PEPc) formando um composto de 4 carbonos que poderá ser descarboxilado a 3PGA e usado pela RUBISCO, presente nas células da bainha. Nestas células, o ácido (Malato, por exemplo) é descarboxilado, formando CO 2 novamente. Este mecanismo causa um aumento na concentração de CO 2 na célula da bainha em relação à do mesofilo. Com isto, a RUBISCO fica em uma situação em que a concentração de substrato é muito alta, evitando a competição do oxigênio que leva à fotorrespiração. Outra característica importante nas gramíneas de ciclo C 4 é que as paredes externas das células da epiderme tornam-se
QUEIROZ, A. P. L. B. DE.; CARVALHO, C. M. C.; MARTINS, J. M. DA S.; LITZ, F. H.; FERNANDES, E. DE A.
espessas, lignificadas e cobertas com uma camada de cutícula e cera, à medida que se desenvolvem, sendo mais pronunciado na epiderme abaxial que na adaxial (WILSON, 1993). Efeito esse comprovado com a diminuição no valor nutritivo que ocorre com o aumento da idade da planta, fator que é maximizado na época das secas, devido à estacionalidade de produção já conhecida das gramíneas tropicais (EUCLIDES et al., 2008; VELASQUEZ et al., 2010). AKIN et al., (1983) comparando gramíneas C 3 , C 4 e tipos intermediários C 3 /C 4 do gênero Panicum , cultivadas no mesmo ambiente verificaram que as espécies C 3 apresentaram maiores proporções de mesofilo e menores de esclerênquima, tecido vascular e epiderme do que as C 4. No rúmen as bactérias, protozoários e fungos colonizam praticamente todas as partículas que chegam digerindo inicialmente as células do mesofilo e do floema. Nestes tecidos as células possuem apenas uma delgada parede primária. Estes tipos de células não apresentam incrustação por lignina e são facilmente fragmentadas e completamente digeridas.
I. Considerações finais II. Utilizar técnicas como a microscopia de luz e eletrônica com o objetivo de conhecer a proporção de tecidos e seu arranjo dentro da planta por meio da anatomia foliar é uma importante ferramenta de auxílio na pesquisa com forrageiras, pois fornece maior quantidade de dados e colabora no entendimento dos resultados obtidos em experimentos de desempenho animal. De posse dos dados gerados por estas técnicas, os profissionais que trabalham com melhoramento de plantas forrageiras e até mesmo os que trabalham com manejo de pastagens, podem usar das informações para um melhor entendimento sobre as características anatômicas determinadas pela genética de cada planta ou até mesmo as características anatômicas influenciadas pelo manejo da pastagem.
Com as informações obtidas com relação à anatomia pode-se chegar a interpretações do ponto de vista nutricional, estimando-se as respostas no que diz respeito à produção animal de acordo com uma planta submetida a uma determinada condição de meio, ou seja, a genética da forrageira aliada à condição de manejo que ela é submetida.
LEAF ANATOMY OF FORAGE AND ITS RELATIONSHIP WITH THE NUTRITIONAL VALUE
ABSTRACT
Additional procedures in the study of grasses are needed to improve animal performance in tropical regions of Brazil, as the increase in voluntary forage intake is related to the volume of the cell wall in leaf blades, referring to the vascular tissue, sclerenchyma, parenchyma bundle sheath cells, the C4 grasses which have become well developed and can influence the accessibility of rumen microorganisms. Added to this fact changes in nutritive value and sward structure, which vary throughout the seasons and can be correlated to the proportion and distribution of these tissues. This tissue differs in the plant by several factors, one of them is the presence or absence of secondary cell wall, another important factor is the arrangement that exists between them and that can generate barriers to the ruminal microorganisms, limiting digestion. So it is very important to know the anatomy of the forage, not only with the aim of adapting management strategies, physical and chemical treatments, selection and breeding of forage, but also explain the responses obtained with the animal performance, and the latter perhaps the main goal of understanding these barriers through the study of leaf anatomy. This review aims to expose some differences between C3 and C4 plants cycle, with main emphasis on anatomical characteristics evaluated by light and electron microscopy, as well as demonstrating the importance of the tissues
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