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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Instituto de Ciências Biológicas Programa de Pós-Graduação em Ecologia, Conservação e Manejo da Vida Silvestre Reação de Hipersensibilidade em Terminalia glabrescens Carlos Henrique Pires Magalhães Belo Horizonte – MG 2009

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

Instituto de Ciências Biológicas

Programa de Pós-Graduação em Ecologia, Conservação e Manejo da Vida Silvestre

Reação de Hipersensibilidade em Terminalia glabrescens

Carlos Henrique Pires Magalhães

Belo Horizonte – MG 2009

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

Instituto de Ciências Biológicas

Programa de Pós-Graduação em Ecologia, Conservação e Manejo da Vida Silvestre

Reação de Hipersensibilidade em Terminalia glabrescens

Carlos Henrique Pires Magalhães

Dissertação apresentada ao Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Minas Gerais como parte dos requisitos para a obtenção do grau de mestre em Ecologia, Conservação e Manejo da Vida Silvestre

Orientador: Dr. Geraldo Wilson Fernandes

Belo Horizonte – MG 2009

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Carlos Henrique Pires Magalhães

Reação de Hipersensibilidade em Terminalia glabrescens Dissertação apresentada ao Instituto de Ciências Biológicas, Universidade Federal de Minas Gerais como parte dos requisitos para a obtenção do grau de mestre em Ecologia, Conservação e Manejo da Vida Silvestre Banca Examinadora:

_______________________________________ Prof. Dr Pablo Cuevas

Professor Visitante (BIG/ICB/UFMG)

______________________________________ Prof. Dr. Marco Antônio Alves Carneiro

Universidade Federal de Ouro Preto

_______________________________________ Prof. Dr. Geraldo Wilson Fernandes

Universidade Federal de Minas Gerais

Belo Horizonte - MG, 07 de Maio de 2009

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Dedico esta Dissertação a minha atual e a minha futura família

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Agradecimentos

Agradeço aos meus pais Carlos Alberto da Silva Magalhães e Maria da

Ascensão Pires Magalhães pela confiança e apoio para que eu pudesse desfrutar de

uma oportunidade que eles não tiveram

Agradeço a meus irmãos por todos momentos vividos, pelas boas prosas e

lembranças.

Agradeço a Larissa pela paciência, apoio e compreensão. Enfeitou minhas

tardes como um girassol.

Agradeço ao Dr. Geraldo Wilson Fernandes, ou simplesmente Geraldinho,

por ter me aceitado como discípulo, agradeço pela confiança e pelas sugestões e

exemplos que me ajudaram a me tornar uma pessoa melhor.

Agradeço ao Programa de Pós Graduação em Ecologia, Conservação e

Manejo de Vida Silvestre.

Agradeço aos colegas de mestrado e aos colegas do Leeb pelos bons

momentos que fizeram os obstáculos parecerem menores.

Agradeço aos colegas de república, especialmente ao Isaac pela amizade e

companheirismo.

Agradeço a minha Tia Elza por ter me acolhido em um momento de

dificuldades para mim, fazendo renovar minhas esperanças. Agradeço também ao

amigo Leivas, que me apoiou num momento que ele também passava por

obstáculos.

Obrigado de coração a todos vocês que me ajudaram a passar por esta etapa.

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Sumário CAPÍTULO 1 Resistência induzida (reação de hipersensibilidade) contra a indução de galhas em Terminalia glabrescens (Combretaceae) Resumo 01 Abstract 02 Introdução 03 Material e Método 06 Resultados 09 Discussão 12 Referências 14 CAPÍTULO 2 Dano foliar em T. glabrescens: herbivoria ou defesa contra a indução de galhas? Resumo 19 Abstract 20 Introdução 21 Material e Método 23 Resultados 28 Discussão 35 Referências 38 CAPÍTULO 3 Relação dos nutrientes foliares com a reação de hip ersensibilidade contra a indução de galhas em Terminalia glabrescens Resumo 43 Abstract 44 Introdução 45 Material e Método 48 Resultados 51 Discussão 54 Referências 57

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CAPÍTULO 1

Resistência induzida (reação de hipersensibilidade) contra a indução de galhas

em Terminalia glabrescens (Combretaceae)

Resumo : Este estudo descreve os efeitos de um gradiente de disponibilidade de

água no ataque de insetos galhadores em Terminalia glabrescens e sua reação de

hipersensibilidade (RH) contra o ataque. Dez parcelas de 250 x 100 metros com

árvores de T. glabrescens foram marcadas e determinou-se a distância de cada

árvore até o curso de água. A freqüência de RH foi correlacionada com a distância

de cada árvore até o curso de água através de uma análise de regressão linear. As

freqüências de folhas com RH e o total de folhas atacadas (RH + galhas) se

correlacionaram positivamente com o aumento da distância até o curso de água. No

entanto, os autores não encontraram variações na freqüência de folhas com galhas,

número médio de galhas por folha e número total de galhas com a distância das

árvores ao curso de água. Esses resultados devem ser vistos com cautela, pois

apesar dos autores encontrarem uma freqüência maior de folhas atacadas (RH +

galhas) não foi observado maior número de galhas na porção mais xérica do

gradiente. Novos estudos devem ser realizados para obter resultados mais

consistentes sobre os mecanismos que influenciam a resistência de T. glabrescens

contra o ataque de insetos. É necessário avaliar a arquitetura da raiz de T.

glabrescens bem como empiricamente a disponibilidade de água e nutrientes no

gradiente estudado.

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Abstract : This study describes the effects of a gradient of water availability on galls

attack to Terminalia glabrescens and its hypersensitive reaction (HR) to the attack.

Ten plots of 250 x 100 meters with T. glabrescens trees were marked and the

distance of each tree to the watercourse was determined. The HR frequency was

correlated with the distance of each tree to the watercourse by a linear regression

analysis. The frequencies of both leaves with HR and total leaves attacked (HR +

gall) increased positively with the distance from the watersource. However, the

authors did not find variations in the frequency of leaves with galls, average number

of galls per leaf and total number of galls with the distance of trees to the

watersource. These results must be viewed with caution as the authors found a

higher frequency of attacked leaves (HR + galls) was not observed higher number of

gall most xeric portion of the gradient. Further studies should be conducted to obtain

more consistent results on the mechanisms that influence the resistance of T.

glabrescens against insect attack. Is necessary evaluate the root architecture of T.

glabrescens as well as empirically the availability of water and nutrients in the

gradient studied.

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Introdução

As plantas apresentam muitas respostas evolutivas contra o ataque por inimigos

naturais (Herms e Mattson, 1992; Shewry & Lucas, 1997; De Wit, 2007). Estas

respostas podem envolver mudanças físicas, nutricionais e químicos, mesmo depois

de sofrer danos ou tensões (Karban & Baldwin, 1997). Na defesa constitutiva, as

plantas expressam a resistência de forma contínua, mesmo na ausência de

herbívoros ou outros inimigos naturais (Thaler et al. 1999), enquanto defesa induzida

acontece apenas após a estimulação pelo ataque por herbívoros.

Entre as respostas induzidas, a reação de hipersensibilidade (RH) tem sido

reconhecida como um importante mecanismo pelo qual as plantas se defendem

contra muitos herbívoros sésseis, incluindo insetos galhadores (revisado por

Fernandes, 1990; ver também Fernandes et al 2000, 2003;. Fernandes & Negreiros

2001; Ollerstam et al 2002;. Höglund et al 2005). A reação de hipersensibilidade

envolve uma série de fatores bioquímicos, morfológicos e de processos fisiológicos

que levam à localização, confinamento e morte do tecido atacado e,

conseqüentemente, do intruso (Fernandes, 1990). Ele deve ter evoluído muito cedo

no tempo evolutivo e, provavelmente, contra patógenos e nematóides em primeiro

lugar (Maclean et al 1974;. Fernandes, 1990; Fritig et al 1998;. Romero-Puertas et al

2004;. Takabatake et al 2006;. Baarlen et al . 2007). No caso da interação planta

patógeno, onde é mais bem estudado, um dos primeiros sinais observados no

desencadeamento da RH é a acumulação intracelular de Ca2 + (Baker et al. 1987),

seguida da ativação da H +/K + extracelular (Levine et al. 1996). Este sinal aciona

uma grande e rápida produção de compostos como as Espécies Reativas de

Oxigênio (ROS), incluindo a O2-H2O2 e OH, (Hegedus et al. 2001), enzimas

hidrolíticas, ácido salicílico, proteínas, calose e deposição de lignina; biossíntese de

complexos de antimicrobianos e metabólitos secundários (Lamb & Dixon, 1997;

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Heath 2000; Ollerstam et al 2002;. Ollerstam & Larsson, 2003; Levine 2004, Leitner

et al 2005;. ver Mittapalli et al 2007). O acúmulo de ROS na área de RH pode ser

tóxico para a planta, levando à morte do tecido foliar (necrose localizada, veja cap.2,

3). Em vários casos, o tecido necrótico desprende do limbo foliar em

desenvolvimento ainda deixando uma lacuna que pode ser facilmente confundida

com a herbivoria por insetos mastigadores, como por exemplo em Tapirira

guianensis Aubl. (Anacardiaceae) (Fernandes et al. 2010).

Os recursos são finitos e as plantas dependem deles para seu metabolismo,

crescimento e defesa (Herms & Mattson, 1992). Como as plantas ocupam habitats

com diferentes níveis de disponibilidade de água e nutrientes, defesas contra

herbívoros devem ser influenciadas pela disponibilidade de recursos. Em recentes

estudos sobre a relação entre a ocorrência de RH (necroses localizadas) e

disponibilidade de recursos nutricionais nas folhas de Terminalia glabrescens Mart,

1837 (Combretaceae), Magalhães et al. (Dados não publicados, cap. 3) encontrou

resultados que sugerem que a reação de hipersensibilidade em plantas dessa

espécie está fortemente relacionada à disponibilidade de nutrientes. Nós temos

postulado que o sucesso das reações de hipersensibilidade contra herbívoros deve

ser influenciado pelo ambiente, sendo menos eficiente em ambientes em que a

planta está sob estresse hídrico e nutricional.

Terminalia glabrescens é uma árvore que ocorre ao longo de um gradiente de

disponibilidade de água de à partir de 40 m até 300m de cursos de água no Parque

Nacional da Serra do Cipó, Minas Gerais, Brasil. A árvore é hospedeira de uma

espécie de inseto galhador de folhas e apresenta numerosas reações de

hipersensibilidade visíveis em suas folhas. Como esta planta hospedeira pode ser

encontrada ao longo de um gradiente de disponibilidade de água em algumas

centenas de metros, testamos a hipótese de que a freqüência de galhas em folhas e

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a resistência da planta (hipersensibilidade) variam ao longo do gradiente de água

(veja Fernandes & Price 1988, 1991; Price et al. 1998). Assim, o objetivo deste

estudo foi responder às seguintes perguntas: (1) Qual é a freqüência de galhas e de

HR na população de T. glabrescens, e (2) como a resistência induzida contra insetos

galhadores (reação de hipersensibilidade) varia ao longo do gradiente de

disponibilidade de água.

A grande maioria dos estudos sobre HR são baseados em sistemas

agronômicos (Klement & Goodman, 1967; Marmey et al 2007). Estudos sobre

reação de hipersensibilidade em ambientes naturais são raros. Poucos estudos

enfatizam a ecologia da reação de hipersensibilidade, embora o mecanismo de

defesa seja reconhecido como de grande importância e ocorrência em sistemas

naturais (Fernandes & Negreiros, 2001). Este estudo apesar de inicial e descritivo, é

um subsídio para futuros estudos sobre a ocorrência e os aspectos ecológicos

envolvidos na reação de hipersensibilidade.

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Material e métodos

Terminalia glabrescens é uma árvore comum caracterizada por indumento

tomentoso-ferruginoso, especialmente nos ramos, pecíolos e ao longo das nervuras

na face abaxial das folhas (Figura. 1A). Pode ser encontrada nos estados de Goiás,

Bahia, Minas Gerais, Rio de Janeiro (Silva, 1984) e São Paulo (Mattos 1969). Na

Serra do Cipó, muitas vezes é encontrada ao longo de matas ciliares (Kawasaki

1996).

Figura. 1: Terminalia glabrescens. a) indivíduos; b) folha com galhas de Cecidomyiidae sp.; c) folha com RH.

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O estudo foi realizado em uma população de T. glabrescens localizada ao longo

do rio Cipó e córrego das Pedras (curso de água, 19 º 36 '39 "S, 43 º 59' 93" W) no

interior do Parque Nacional da Serra do Cipó, Sudeste do Brasil. A temperatura varia

pouco durante o ano, enquanto que a precipitação tem uma variação forte e larga

entre as estações, com um verão chuvoso (novembro-janeiro) e inverno seco

(fevereiro-abril) (Madeira & Fernandes 1999). A média anual de precipitação é 1374

milímetros. Para responder nossas questões, dez parcelas de 250 × 100 metros

foram marcados ao longo do curso de água (Figura 2). A área de amostragem tem

um único tipo de solo e topografia. Em cada parcela, todos os indivíduos de T.

glabrescens foram marcados e georreferenciado para obter a distância de cada

indivíduo para o curso de água (n = 40 indivíduos).

Figura 2: Área de estudo. Os pontos pretos representam os indivíduos de T. glabrescens amostrados.

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As galhas que ocorrem nas folhas de T. glabrescens são esféricas, verdes,

glabras, medindo cerca de 2,0 ± 0,5 mm de largura, induzidas por uma espécie não

descrita de Cecidomyiidae (Diptera) (Fig. 1B). As reações de hipersensibilidade do

hospedeiro contra a indução de galhas foram reconhecidas como manchas

necróticas marrom escuro ou vermelhas, geralmente circulares, sobre a superfície

foliar (ver Fernandes et al. 2000, Fernandes & Negreiros 2001) (Fig. 1C). Para

analisar a freqüência de galhas e de RH na população de T. glabrescens, nós

coletados aleatoriamente cinco ramos terminais ao redor da coroa de todos os

indivíduos (n = 40). Em cada ramo contamos o número total de folhas, número de

folhas com galhas, número de folhas com reações de hipersensibilidade, e o número

de folhas atacadas nos ramos terminais (galhas e reações de hipersensibilidade).

Para se responder como a RH varia de acordo com o gradiente de disponibilidade

de água, a ocorrência de reações de hipersensibilidade foi correlacionada com a

distância de cada individuo de T. glabrescens até o curso de água por regressão

linear simples. Os valores de freqüência e incidência de RH foram transformados em

arc-sen da raiz quadrada devido a normalidade dos dados.

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Resultados

A altura dos indivíduos de Terminalia glabrescens variou de 1 a 5 metros (2,90 ±

0,18 m, n = 40) e teve uma média de 0,1620 ± 0,0152m (n = 40) de circunferência à

altura do peito. A distância média entre indivíduos foi de 14,20 ± 2,90m (n = 40). Os

indivíduos foram distribuídos na área de estudo entre 40 a 250m da fonte de água

(média de 139,80 ± 10.30m, n = 40).

Poucas galhas foram encontradas na população de T. glabrescens estudada.

Galhas foram encontradas em apenas nove dos 40 indivíduos de T. glabrescens

presentes na área de estudo (22,5%). O número de galhas por folha variou de 0 a 4

(n 0,01 ± 0,037, = 1,322), enquanto apenas 0,2% ± 0,75 (n = 1322) das folhas foram

atacadas. Todavia, todos os indivíduos de T. glabrescens amostrados apresentaram

reação de hipersensibilidade (manchas necróticas), e foram encontrados em 51,6 ±

13,3% (n = 40) das folhas. O número de reações de hipersensibilidade por folha em

cada planta variou de 0 a 122, com uma média de 1,70 ± 0,20 (n = 40) reações por

folha (Figura 3).

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O número total de reações de hipersensibilidade por planta (p = 0,48, F = 0,51, n

= 40) e a média das reações de hipersensibilidade por folha (p = 0,64, F = 0,21, n =

40) não variaram com a distância do curso de água. Todavia, a freqüência de folhas

com reação de hipersensibilidade (r2 = 0,17, p = 0,006, F = 8,24, y = 0,34 + 0.0013x,

n = 40), e a freqüência do total de folhas atacadas (reação de hipersensibilidade +

galhas) cresceu positivamente com a distância do curso de água (R2 = 0,19, p =

0,0035, F = 9,62, y = 0,31 + 0,0019 x, n = 40, Figura 4).

Figura 3: A) Frequência de HR e galhas em indivíduos de Terminalia glabrescens; B) Frequência de HR e galhas em folhas de Terminalia glabrescens; C) Média de HR e galhas por folha de Terminalia glabrescens.

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Figura 4: Frequência relativa de galhas (R2 = 0.17, p = 0.006, F = 8.24, y = 0.34 + 0.0013x, n=40) e reações de hipersensibilidade + galhas (R2 = 0.19, p = 0.003, F = 9.62, y = 0.31 + 0.0019 x, n=40) em Terminalia glabrescens as em função da distância do curso de água.

Não houve variação significativa na freqüência de folhas com galhas (R2 = 0,05,

p = 0,13, F1, 4 = 2,33, y = 2,90 - 0.01x, n = 40), número médio de galhas por folha

(R2 = 0,02, p = 0,36, F = 0,84, y = 0,02 - 0.00008x, n = 40), e número total de galhas

(R2 = 0,01, p = 0,44, F = 0,58, y = 0,58 - 0.0021x, n = 40) com a distância dos

indivíduos de T. glabrescens até o curso de água, indicando que a distância até a

água não teve nenhum efeito sobre o sucesso na indução de galhas.

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Discussão

O maior número de reação de hipersensibilidade em relação à indução de

galhas indica a importância deste mecanismo de defesa induzido. Fernandes (1990),

Fernandes e Negreiros (2001) e Fernandes et al. (2003), entre outros estudos,

destacaram a importância deste mecanismo pelo qual as plantas localizam e

eliminam as tentativas de indução de galhas por insetos galhadores.

A abundância de galhas do Cecidomyiidae não variou com a distância da planta

hospedeira para a água. Fernandes & Price (1988, 1991) propuseram a hipótese de

que a maior abundância de insetos galhadores deve ser esperada em condições

mais xéricas (ver também Cuevas et al. 2003), mas os dados sobre T. glabrescens

não oferecem suporte para esta hipótese. No entanto, esses resultados devem ser

vistos com cautela, pois a freqüência de galhas na população foi muito baixa

(apenas 0,2% das folhas amostradas), talvez impedindo a detecção de qualquer

tendência. Além disso, podemos descartar a hipótese alternativa de que as espécies

hospedeiras tem profundas raízes que lhes permitam obter água do subsolo

(Goldstein et al. 2008). A espécie de hospedeira é uma árvore que pode possuir um

sistema radicular bem desenvolvido e, dada a relativa proximidade da fonte de água,

eles poderiam obter água a uma distância moderada no solo. Futuros estudos

deverão abordar tal questão.

As reações envolvidas no processo de RH são sub-produtos da regulação do

metabolismo celular, mas sua produção pode ser geradas ou ampliadas quando as

plantas são submetidas a vários fatores de estresse, tais como a exposição à luz

alta, seca, temperaturas extremas, e também em resposta a estresses bióticos, tais

como ataque de patógenos (Mallick & Rai 1999; Breusegem et al 2001;. Mateo et al

2004, Kariola et al 2005).

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O estresse por água pode causar estresse nutricional indiretamente, pois as

plantas absorvem os nutrientes através da umidade. As deficiências nutricionais

podem prejudicar a comunicação celular gerando ineficiência no processo de reação

de hipersensibilidade. Durante a reação de hipersensibilidade, Ca2 + intracelular

aumenta (Baker et al. 1987), ocorrendo também a ativação da H + / K +

extracelulares (Levine et al. 1996). Assim, é provável que a deficiência desses

nutrientes limitem o levantamento das reações de hipersensibilidade (revisado por

Walters & Bingham, 2007). Sabe-se que a resistência das plantas contra patógenos

e alguns insetos pode ser aumentada com a disponibilidade de nutrientes, como

potássio (Mandahar et al 1998;. Orober et al 2002;. Mitchell & Walters, 2004;

Klikocka et al 2005), enxofre e nitrogênio (Dietrich et al 2004, 2005;. revisado por

Walters & Bingham, 2007). Os resultados devem ser vistos com cuidado, pois

encontramos uma freqüência maior de folhas com galhas e reações de

hipersensibilidade (ataque total) na porção mais xérica do gradiente. Assim, os

resultados de maior número de reações necróticas na porção xérica podem ser o

resultado de maior freqüência de ataques de fêmeas em hospedeiros, indicando a

preferência da fêmea (ver Santos et al. 2008), ou ainda que um gradiente de

estresse hídrico na verdade não existe para essa espécie. Estudos futuros deverão

avaliar a arquitetura de sistemas radiculares de T. glabrescens empiricamente bem

como a disponibilidade de água e nutrientes no gradiente estudado.

Agradecemos a D Negreiros, MAA Carneiro, P Cuevas-Reyes e dois revisores

anônimos por sugestões em versões inicias deste manuscrito. Pelo suporte logistico

providenciado no Parque Nacional da Serra do Cipó. Este estudo foi suportado pelo

CNPq (309633/2007-9. 476178/2008-8) e FAPEMIG (EDT-465/07, APQ-01278/08).

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Baker, C. J; M. M. Atkinson & A. Collmer.1987. Concurrent loss in Tn5 mutants of Pseudomonas syringae pv. syringae of the ability to induce the HR and host plasma membrane K+/H+ exchange mechanism. Plant Physiology 79: 1268–1272.

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CAPÍTULO 2

Dano foliar em T. glabrescens: herbivoria ou defesa contra a indução de galhas?

Resumo: A reação de hipersensibilidade (RH) é acionada em resposta a patógenos

e / ou ataque de insetos, causando mudanças em torno do local do ataque,

resultando em morte do tecido e, em seguida, o tecido atacado se converte em um

tecido necrosado que pode sofrer abscisão causando furos nas folhas que podem

ser confundidos com a remoção de área foliar causado por herbívoros mastigadores

e, portanto, não estão sendo computados corretamente. Este estudo teve como

objetivos: (1) Avaliar se as necroses (RH) em folhas de T. glabrescens são

causados, em resposta ao ataque de insetos galhadores, (2) identificar se os danos

são causados por queda de folhas de tecido necrótico ou são causadas pela

remoção de insetos mastigadores e (3) indicar que inseto (s) que estão causando as

reações de hipersensibilidade. Para configurar esse tipo de experimento as folhas

foram monitorados nos primeiros estágios de desenvolvimento em dois grupos: 1)

folhas expostas ou 2) protegidos contra o ataque de invertebrados. O número de

buracos nas folhas aumentou com o número de necroses (RH) diminuiu nas folhas

protegida de ataques externos, assim, indicando que os furos foram causados pelo

colapso do tecido necrosado. Folhas nascidas protegidas não desenvolveram

reações de hipersensibilidade e nem buracos, enquanto as reações (p = 0,0004) e

danos (p = 0,006) nas folhas expostas aumentou durante as quatro semanas de

estudo. Os únicos insetos que tiveram seus ovos ou larvas eclodidos nos

tratamentos em que as folhas eram protegidas ao ataque de insetos galhadores

foram Diptera Cecidomyiidae.

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Abstract: The hypersensitivity reaction (HR) is triggered in response to pathogens

and/or insects attack causing changes around the site of attack resulting in death of

tissue and then attacked in a necrotic tissue that can undergo abscission causing

holes in leaves that may be confused with the removal of leaf area caused by

chewing herbivores and thus are not being computed correctly. This study aimed to:

(1) Evaluate whether the necroses (HR) in leaves of T. glabrescens are caused in

response to attack by galling insects, (2) identify whether the damages are caused by

leaf fall of necrotic tissue or are caused by the removal of chewing insects and (3)

indicate the insect(s) that are causing the hypersensitivity reactions. To set up such

an experiment where leaves were monitored at early stages of development into two

groups: 1) leaves exposed or 2) leaves protected against the attack of invertebrates.

The number of holes in the leaves increased as the number of necroses (HR)

decreased in the leaves protected from external attack, thus, indicating that the holes

were caused by the collapse of the necrotic tissue. Born in the leaves protected were

not provided with invertebrates of hypersensitivity reactions and no holes in any

sheet bagged, while reactions (p = 0.0004) and damage (p = 0,006) were exposed in

the leaves during the 4 weeks of study. The only insects that had their eggs or larvae

hatched in the treatments in which the leaves were protected to the attack were

foreign galling Cecidomyiidae Diptera.

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Introdução

Embora herbívoros removam em média cerca de 10% da área foliar, a perda

da folhagem pode chegar a 100% em alguns casos (Schowalter et al. 1986, Aldea et

al. 2005, Rogers & Siemann, 2005). A herbivoria pode ter profundo impacto no

crescimento, na reprodução e até mesmo na capacidade de competição das plantas

(Coley 1983, Rosenthal & Kotanen 1994, Krupnick et al. 1999). Assim, a pressão

dos herbívoros sobre suas plantas hospedeiras tem conduzido a evolução de

defesas químicas, mecânicas e fenológicas (Price 1991). Em alguns casos, a

interação negativa entre plantas e herbívoros fez com que as plantas

desenvolvessem defesas induzidas contra estes (Karban & Baldwin 1997).

Especificamente, as respostas induzidas contra a formação de galhas são relatadas

como uma das mais importantes causas de mortalidade de insetos galhadores

(Fernandes 1990, 1998). Dentre as várias reações induzidas, a reação de

hipersensibilidade tem sido reportada como o principal mecanismo pelo qual as

plantas se defendem do ataque e minimizam os danos causados por insetos

herbívoros (Fernandes 1990, Rossi & Stiling 1998, Fernandes & Negreiros 2001,

Fernandes et al. 2003).

Ao ser desencadeada a RH contra patógenos, observam-se uma série de

alterações ao redor do sítio de ataque (Levine 2004, Leitner et al. 2005, Mittapalli et

al. 2007). Dado a enorme diversidade de insetos galhadores (veja Espirito santo &

Fernandes 2007), espera-se que este fenômeno de resistência fosse bastante

comum e antigo na natureza (Fernandes e negreiros 2001). Todavia, são poucos os

relatos da ocorrência deste tipo de defesa induzida. Uma hipótese foi levantada

recentemente por Fernandes et. al. (2009) que mostraram que buracos em folhas da

espécie Tapirira guianensis (Anacardiaceae) são o resultado da queda do tecido

necrótico em resposta a indução de galhas por um Cecidomyiidae em tecidos

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indiferenciados e/ou patógenos e não por herbívoros de vida livre. Fernandes e

colaboradores (2009) afirmaram que investigações cautelosas durante as fases

iniciais de desenvolvimento das folhas seriam fundamentais para desvendar as

taxas reais de dano na área foliar causada por insetos indutores de galhas daquela

causada por herbívoros mastigadores, bem como daquela por patógenos.

Observações casuais indicaram que a árvore Terminalia glabrescens

(Combretaceae) apresenta uma grande frequência de reações de hipersensibilidade

(necroses) e danos (furos circulares) em suas folhas (Figura 1a, b). Além disto, é

atacada por pelo menos três espécies de insetos galhadores ainda não identificados

da família Cecidomyiidae (Díptera). Este sistema oferece uma boa oportunidade

para a observação da origem e autoria do tecido necrótico que se assemelha às

reações de HR (sensu Fernandes 1990) bem como dos numerosos furos circulares

nas folhas.

Assim, este trabalho teve por objetivo: (1) Determinar a frequência da reação

de hipersensibilidade e danos foliares causados por herbívoros de vida livre na

população de T. glabrescens estudada; (2) Avaliar se as reações de

hipersensibilidade nas folhas de T. glabrescens são causadas como reposta ao

ataque por insetos galhadores; (3) Identificar se os danos foliares são causados pela

queda do tecido necrótico da reação de hipersensibilidade ou são caudados pela

remoção por insetos mastigadores e (4) Apontar o(s) inseto(s) que estariam

desencadeando as reações de hipersensibilidade.

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Material e método

Terminalia glabrescens Mart. (Combretaceae) é uma árvore que ocorre com

frequência nas matas ciliares da Serra do Cipó em Minas Gerais, Brasil (Kawasaki

1996). A espécie é caracteriza-se pelo indumento ferrugíneo-tomentoso,

especialmente nos ramos, pecíolos e junto às nervuras na face abaxial das folhas,

com folhas obovais a oblanceoladas, pecíolos de até 1cm comprimento e frutos

alados (Cielo-Filho & Santin 2002).

A área estudada localiza-se às margens do rio do Cipó entre as coordenadas

19° 21’ 53,0’’S e 43° 36’ 03,1’’W. A precipitação apresenta forte sazonalidade e

ampla variação, com um período chuvoso no verão e período seco no inverno. A

média anual de precipitação é de 1.374mm (veja Madeira & Fernandes 1999). Os

indivíduos da população de T. glabrescens estudada apresentaram 3 espécies de

insetos galhadores de folhas. As galhas induzidas pela espécie 1 (Figura 1e) são as

mais abundantes, esverdeadas, glabras, esféricas (1.00±0.3mm de diâmetro).

Aquelas induzidas pela espécie 3 são bastante raras. As galhas da espécie 2 são

induzidas por um Cecydomyiidae ainda não identificado; sem pêlos, cônicas

(4,10±0,4mm de comprimento / 2.00±0.24mm de largura; Figura 1f). Enquanto a

espécie 3 apresenta galhas esféricas, avermelhadas, com pêlos, medindo cerca de

4,12±0.30mm de diâmetro (Figura 1g). Todas as 3 espécies de galhas ocorreram

tanto na face abaxial quanto adaxial das folhas.

As reações de hipersensibilidade foram reconhecidas como manchas marrons

ou avermelhadas, circulares nas folhas de T. glabrescens medindo 5.41±0.27 mm2

(n = 185; Figura 1a). As bordas externas destas reações apresentaram-se de

coloração mais escura e de forma circular. Os danos foliares foram reconhecidos

como furos geralmente circulares nas folhas medindo cerca de 7.32±1.3 mm2 (n =

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e f g

a b

d c

75; Figura 1b), sem apresentar alterações perceptíveis no tecido foliar que margeia

os furos. Quando os furos surgem na borda foliar ou em estágios iniciais de

expansão foliar, aqueles podem se apresentar ovais ou disformes (Figura 2C,D),

indicando a ocorrência de coalescência.

Figura 1. (a) Reação de hipersensibilidade; danos foliares: (b) furo circular, (c,d) furos amorfos; e galhas: (e) espécie 1, (f) espécie 2, (g) espécie 3, em T. glabrescens

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Para responder as perguntas, foram localizados 50 indivíduos de T.

glabrescens, dos quais 20 indivíduos foram aleatoriamente selecionados para os

experimentos. A montagem do experimento e a coleta dos dados foram realizados

durante três meses consecutivos (outubro e dezembro) em 2007 quando as folhas

encontravam-se no seu início de desenvolvimento. O experimento foi dividido em

duas partes. Na primeira, os ramos foram divididos em 3 tratamentos, os quais

foram feitos em duas réplicas por planta (6ramos/planta). A média de folhas

ensacadas sadias por ramo foi de 2.78±0.20 e a média de folhas ensacadas com

hipersensibilidade por ramo foi de 1.97±0.19 no tratamento 1. Neste tratamento foi

ensacada uma média de 9.43±0.50 folhas por árvore (n = 20). No tratamento 2

foram ensacados apenas ramos com folhas sadias (4.47±0.23, n = 20)

No tratamento 1 foram selecionados e ensacados ramos que continham tanto

folhas sadias quanto ramos com hipersensibilidade e danos por herbivoria. A média

de folhas ensacadas sadias por ramo foi de 2.78±0.20 e a média de folhas

ensacadas com hipersensibilidade por ramo foi de 1.97±0.19 no tratamento 1. Neste

tratamento foi ensacada uma média de 9.43±0.50 folhas por árvore (n = 20). No

tratamento 2 foram ensacados apenas ramos com folhas sadias (4.47±0.23, n = 20).

O ensacamento (tratamentos 1 e 2) foi realizado com Organza (tecido fino e

transparente, de trama simples e permitiu o isolamento das folhas do ataque por

qualquer invertebrado). Antes do ensacamento (tratamentos 1 e 2) foram removidos

todos insetos, ovos e formas imaturas de insetos das folhas. O tratamento 3

também apresentou tanto ramos com folhas sadias (3.7±0.17) quanto com marcas

de hipersensibilidade (1.9±0.14)(10.75±0.66 folhas por árvore, n = 20 árvores);

porém os mesmos não foram ensacados.

A segunda parte do experimento foi realizada em novembro, no começo do

período de chuvas, utilizando-se os mesmos indivíduos de T. glabrescens para

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testar se as reações de hipersensibilidade que viessem a surgir nos ramos do

primeiro experimento acima fossem provenientes de estímulos anteriores à

montagem do experimento. Assim, ramos secundários e folhas originadas em todos

tratamentos foram também monitorados, o que evidenciaria a importância do contato

com insetos para a indução da hipersensibilidade e furos nas folhas. Assim, para se

responder se insetos estão relacionados com a reação de hipersensibilidade o

experimento foi monitorado semanalmente. Os resultados observados foram

submetidos a teste de normalidade e posteriormente comparados através de Análise

de Variância (Anova).

Para responder se os danos foliares (furos circulares/buracos) são causados

pela queda de tecidos necróticos da reação ou por insetos mastigadores observou-

se o surgimento de danos foliares nas folhas ensacadas (protegidas contra insetos)

e naquelas expostas ao ataque de insetos tanto na primeira quanto na segunda

parte do experimento. Oportunamente para se testar se os danos foliares seriam

causados pela expansão da área sadia (o tecido morto necrótico não se expande) e

o consequente desprendimento do tecido necrótico, o maior comprimento e maior

largura (mm) tanto da área circular de tecido necrótico causada pela reação de

hipersensibilidade (área necrótica propriamente dita) e da área de tecido sadio

imediatamente após a borda da reação de hipersensibilidade foram medidos

semanalmente em quatro folhas por árvore do tratamento 3 do experimento 1 (n =

20 indivíduos, 80 folhas). Para este experimento forma selecionadas folhas que

ainda encontravam-se em fase inicial de expansão da lâmina foliar até o término

desta (outubro a novembro). Os dados foram comparados através de regressão

linear simples.

Para responder se insetos seriam os responsáveis pelas reações de

hipersensibilidade, observou-se semanalmente a presença de ovos ou

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desenvolvimento de larvas de insetos, que poderiam estar previamente presentes

nas folhas utilizadas nos dois experimentos. Assim, postulou-se que a espécie que

se desenvolvesse nas folhas ensacadas de T. glabrescens seria considerada a

espécie relacionada à reação de hipersensibilidade.

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Resultados

Todos os indivíduos de T. glabrescens observados apresentaram tanto tecidos

necróticos típicos da reação de hipersensibilidade quanto danos (i.e., furos

circulares/buracos) nas folhas (n = 20 árvores). A média geral de reações de

hipersensibilidade por folha foi de 4.9±1.2 (n = 2921) enquanto a de danos foi de

3.2±0.6 (n = 1907) (n = 596 folhas, 20 árvores). O número de RH foi de 0 a 27 e de

0 até 18 danos por folha.

As reações de hipersensibilidade e furos nas laminas foliares surgiram durante o

período de estudo tanto nas folhas dos ramos ensacados (tratamentos 1 e 2) quanto

nas folhas dos ramos expostos (tratamento controle). Todavia, o aumento no

número de furos nas laminas foliares e a diminuição no número de reações de

hipersensibilidade nos tratamentos nos quais as folhas foram protegidas do ataque

externo é indicativo de que os furos seriam causados pela queda do tecido

necrótico. O número de reações diminuiu no experimento 1, onde as folhas foram

ensacadas, passando de 175 na primeira semana para 149 na semana 11. No

mesmo período, o número de furos passou de 0 para 102 (Figura 2a).

No tratamento onde folhas sadias foram ensacadas (tratamento 2), tanto

reações de hipersensibilidade quanto furos na lamina foliar surgiram a partir do início

do experimento. As reações de hipersensibilidade foram observadas a partir da

segunda semana enquanto os furos nas laminas foliares surgiram a partir da terceira

semana após o início deste tratamento. Na terceira semana foram registradas 31

reações de hipersensibilidade e danos foliares nas folhas. Este número não se

alterou até o final do experimento. Contudo, o número de reações de

hipersensibilidade que inicialmente era de 21 diminuiu para 16 ao final do

experimento, enquanto o número de furos passou de 10 para 15 (Figura 2b).

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Figura 2. (a) Média de reações de hipersensibilidade e danos por folha de glabrescens ensacada sadia ou com reação; (b) ensacadas sadias; (c) e desprotegidas sadias ou com reação em cada semana de estudo. Os pontos representam a média de furos e HR, e as barras vpadrão.

0

2

4

6

8

Aver

age/

Leaf

b Caged (healthy)

0

1

2

3

4

5

6

Aver

age/

Leaf

a Caged (healthy + damaged)

012345678

Aver

age/

Leaf

c Exposed

a) Média de reações de hipersensibilidade e danos por folha de ensacada sadia ou com reação; (b) ensacadas sadias; (c) e

desprotegidas sadias ou com reação em cada semana de estudo. Os pontos representam a média de furos e HR, e as barras verticais representam o erro

Caged (healthy)

Caged (healthy + damaged)

Week

29

a) Média de reações de hipersensibilidade e danos por folha de T. ensacada sadia ou com reação; (b) ensacadas sadias; (c) e

desprotegidas sadias ou com reação em cada semana de estudo. Os pontos erticais representam o erro

HRHoles

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30

No início do experimento do tratamento 3 nos quais as folhas ficaram expostas

haviam 191 reações de hipersensibilidade nas folhas (0.88±0.7 reações/folha). O

número de reações aumentou até o total de 247 (1.14±0.5 reações/folha) até a

semana 11. Da mesma forma, o número de furos aumentou de 0 para 202

(0.93±0.42) até a semana 11. Assim houve aumento constante no número tanto das

reações de hipersensibilidade quanto de furos nas folhas expostas (Figura 2c),

indicando a necessidade de estímulos externos no desenvolvimento de reações de

hipersensibilidade e bem como no surgimento de furos nas laminas foliares de T.

glabrescens.

O número total de reações (F1,27 = 1.5, p = 0.2) e furos (F1,27 = 2.2, p = 0.1) tanto

em folhas expostas quanto protegidas do ataque não diferiu entre os tratamentos.

Todavia, o surgimento de reações (F1,18 = 23.1, p = 0.0001) e furos (F1,18 = 19.2, p =

0.0003) nas folhas protegidas (tratamentos 1 e 2) foi significativamente maior nas

duas primeiras e menor nas ultimas nove semanas restantes do estudo (Figura 3).

Figura 3. (a). Média de novas reações e novos danos nas folhas ensacadas, nas duas primeiras e nas nove ultimas semanas de estudo. As barras verticais representam o erro padrão.

05

1015202530354045

10-17/out 24/out-19/dez

Aver

age/

Leaf

Weeks

HR

Holes

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31

Nas duas primeiras semanas de estudo não houve diferença significativa entre

número de reações (F2,3 = 0.6, p = 0.6) e furos nas laminas foliares (F2,3 = 1.5, p =

0.4) em todos tratamentos realizados (Figura 4a). Todavia, diferenças

estatisticamente significativas foram observados entre o número de reações (F1,21 =

9.4, p = 0.001) e furos (F1,21 = 10.7, p = 0.0006) nas ultimas nove semanas (Figura

4b). Estes resultados indicam que nos tratamentos nos quais as folhas foram

ensacadas as folhas já haviam sido estimuladas, porém as reações não eram

visíveis a olho nu.

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Figura 4. (a) Média de reações e danos em cada tratamentos durante as duas primeiras semanas. (b) Média de reações e danos em cada tratamento durante as ultimas nove semanas. As barras verticais representam o erro padrão.

Durante a segunda parte do experimento foram avaliadas as folhas que

nasceram protegidas do contato com invertebrados. Neste estudo de quatro

semanas não surgiram reações de hipersensibilidade e nem furos em nenhuma

0

20

40

60

80

100

120Average/Leaf

a HR

Holes

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Healthy + Damaged Healthy Exposed

Average/Leaf

Caged

b

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folha ensacada, enquanto reações (85) e danos (29) surgiram nas folhas expostas

(Figura 5). O número de reações (F1,10 = 27.6, p = 0.0004) e furos (F1,10 = 12.2, p

= 0.006) observado nas folhas expostas diferiu significativamente do observado nas

folhas ensacadas. Os furos apareceram uma semana após o aparecimento das

reações de hipersensibilidade, indicando que as reações surgem devido a fatores

externo e que são formadas a partir das reações de hipersensibilidade.

Figura 5. Número de reações e danos nas folhas de T. glabrescens nascidas ensacadas ou expostas. As barras verticais representam o erro padrão.

Os únicos insetos que tiveram suas larvas ou ovos eclodidos no tratamento nos

quais as folha foram protegidas ao ataque externo foram pequenos Dípteros

galhadores da família Cecidomyiidae. Os três tipos de galhas foram observados em

dois diferentes ramos ensacados em dois indivíduos de T. glabrescens. As galhas

observadas pertenciam a espécie 2 (Figura 1f).

0

20

40

60

80

100

7/nov 14/nov 21/nov 28/nov

Tota

l num

ber

Weeks

0 0 0 0 0 0 0 0 0

Holes (caged)

HR (caged)

Holes (exposed)

HR (exposed)

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A área necrótica resultante da reação de hipersensibilidade não apresentou

relação positiva com o aumento da área foliar total (r2 = 0.015, F1,78 = 1.2, p = 0.3).

Todavia, a área ocupada pelos furos na lamina foliar aumentou com o aumento da

área foliar total (r2 = 0.34, F1,78 = 40.0, p = 0.001, y = 5.22 + 0.03x).

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Discussão

As plantas apresentam fina sintonia evolutiva com seus insetos herbívoros,

principalmente aqueles que podem infringir grandes danos, como o caso dos insetos

galhadores. A reação de hipersensibilidade apresentada pelas plantas se destaca

como o mais efetivo mecanismo de resistência da planta contra estes insetos

(Fernandes 1990, 1998) e está amplamente distribuída entre as plantas (Fernandes

& negreiros 2001). No sistema estudado, durante as duas primeiras semanas o

surgimento de reações de hipersensibilidade e furos nas laminas foliares expostas e

ensacadas foi semelhantes. Todavia, da terceira à décima primeira semana de

observação não houve a indução de reações de hipersensibilidade nos tratamentos

nos quase ramos e folhas foram ensacados. Estes resultados indicam a presença

de estimulo externo, ou seja, ovos ou larvas dos insetos galhadores, nestas folhas

antes do início do experimento. Embora todas as folhas ensacadas estivessem

intactas, havia a possibilidade destas conterem ovos ou pequenas larvas presentes

antes do início do experimento. Larvas de primeiro instar e ovos de Cecidomyiidae

são extremamente pequenas e de dificílima observação no campo. Tal tarefa torna-

se mais complexa quando as folhas apresentam tricomas em sua superfície, como

em T. glabrescens. Nenhuma reação de hipersensibilidade surgiu nas folhas que

nasceram após o isolamento (n = 211; 126 ensacadas e 85 expostas). Porém, tanto

reações quanto danos surgiram nas folhas expostas indicando a necessidade de um

fator externo como ovos ou larvas para a indução das reações de hipersensibilidade

e furos circulares (Fernandes 1998). Durante as observações semanais da eclosão

de ovos ou larvas nas folhas expostas ou ensacadas utilizadas nos dois

experimentos observou-se unicamente a indução de 8 galhas, sendo 3 em folhas de

ramos ensacados e 5 em folhas de ramos expostos, sugerindo que a reação de

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hipersensibilidade em T. glabrescens está relacionada a insetos galhadores

(Fernandes 1998).

O estímulo inicial para a reação de hipersensibilidade poderia tanto ser o início

da manipulação do tecido foliar pelo inseto galhador ou a invasão do sítio de

oviposição por patógenos durante os estágios iniciais da indução da galha

(Fernandes 1990, Fernandes et al. 2000). Mesmo se a reação de hipersensibilidade

for desencadeada por patógenos transportados pelo inseto galhador, a morte do

sítio de oviposição provavelmente causaria a morte dos ovos e/ou larvas.

Os furos comumente observados nas folhas de T. glabrescens são causados

pela abscisão do tecido necrótico onde se desencadeou a reação de

hipersensiblidade. Na área de necrose localizada causada pela reação de

hipersensibilidade não há divisão celular, assim também não há crescimento do

tecido foliar (Fernandes et al. 2000, Somssich et al. 1988, Shmelzer et al. 1989,

Fritig et al. 1998, Heath 2000, Mittapalli 2007). Como o tecido sadio ao redor da

área necrótica continua seu desenvolvimento e crescimento, há muitas vezes o

rompimento deste do tecido necrótico resultando no aparecimento de furos na

lamina foliar. Estes furos podem ser arredondados ou, quando adjacentes

coalescem e assim apresentam formas diferentes. Em alguns casos podem ficar

maiores que as áreas de reação (necrose localizada) dependendo da expansão

foliar após o surgimento da reação ou necrose (Fernandes et al. 2009), e assim

serem facilmente confundidas com danos causados por folívoros. Quando não há,

ou há pouca expansão foliar após o surgimento da reação não há formação de furos,

como em folhas mais velhas. Em alguns casos as reações de hipersensibilidade

surgem tardiamente após a expansão foliar completa.

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Padrões gerais de herbivoria por insetos mastigadores de folhas indicam valores

médios que vão desde 7.1% (florestas temperadas) até 14.2% (florestas tropicais

secas) (Coley & Barone, Kursar & Coley 2003). De tal modo, é possível que estes

padrões estejam sobreestimados devido a alta frequência de reação de

hipersensibilidade em plantas (Fernandes 1990).

Uma conseqüência imediata dos resultados aqui apresentados é a necessidade

de investigações mais aprofundadas em estudos sobre danos foliares e herbivoria,

principalmente quando as plantas forem hospedeiras de insetos galhadores, pois os

danos nas laminas foliares podem ser causados pela abscisão do tecido necrótico

das áreas de reação de hipersensibilidade e não por insetos mastigadores.

Agradecemos a P Cuevas-Reyes pelas sugestões em versões anteriores do

manuscrito. Agradecem também ao Programa de Pós Graduação em Ecologia,

Conservação e Manejo de Vida Silvestre e ao IBAMA (Parque Nacional da Serra do

Cipó) pelo suporte logístico no local de trabalho. Este trabalho contou com suporte

do CNPq (309633/2007-9) e Fapemig (EDT 465/07).

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43

CAPÍTULO 3

Relação dos nutrientes foliares com a reação de hip ersensibilidade contra a

indução de galhas em Terminalia glabrescens

Resumo . Reação de hipersensibilidade (RH) é reconhecida como um importante

mecanismo pelo qual as plantas se defendem contra muitos herbívoros sésseis,

incluindo insetos galhadores. A RH resulta de uma série de fatores bioquímicos,

morfológicos e de processos fisiológicos levando à localização, confinamento e

morte do tecido atacado e consequentemente do intruso. O presente estudo

investigou a relação entre as concentrações de nutrientes foliares e a incidência de

RH contra a indução de galhas (Diptera, Cecidomyiidae) em Terminalia glabrescens

Mart. (Combretaceae). A comparação das concentrações de macro e

micronutrientes, entre os "saudáveis" e as folhas que apresentaram RH revelaram

uma menor concentração de Fe nas folhas que haviam desenvolvido RH. Além

disso, a área foliar tomada por RH se associou negativamente com as

concentrações de Fe, Cu e Mn, o que pode estar relacionado com a função de

desintoxicação desempenhado por esses metais, evitando a morte celular e

transformando o RH em uma reação assintomática. Além disso, as plantas com

maior concentração de S apresentou menor área de RH, mas, de fato, as defesas da

planta relacionados com a S não estão associados à formação de RH. Além disso,

as concentrações de Ca foram positivamente associado com a área de RH, e as

concentrações de K foram negativamente relacionada à RH, que está de acordo

com as mudanças na permeabilidade do Ca2 + e canais de K + durante a RH. Estes

resultados sugerem que micro e macronutrientes podem desempenhar um papel

importante na reação de hipersensibilidade em folhas de T. glabrescens.

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44

Abstract. Hypersensitive Reaction (HR) has been recognized as an important

mechanism by which plants defend against many sessile herbivores, including galling

insects. HR results from a series of morphological, biochemical and physiological

processes leading to the localization, confinement and death of the attacked tissue

and intruders. The present study investigated the relationship between leaf nutrients

concentrations and the incidence of a gall midge (Diptera, Cecidomyiidae) induced

HR in Terminalia glabrescens Mart. (Combretaceae). Comparisons of macro and

micronutrients concentrations between “healthy” leaves and those presenting HR

revealed a lower concentration Fe in leaves which had developed HR. In addition,

leaf HR area was negatively associated to Fe, Cu and Mn concentrations, what can

be related to the detoxification function played by these metals, preventing cell death

and turning the HR into a symptomless reaction. Also, plants with higher

concentrations of S presented smaller area of HR, but, indeed, plant's defenses

related to the S are not associated to the formation of HR. In addition, the Ca

concentrations were positively associated to HR area while K concentrations were

negatively related to HR, what is in accord to the changes in permeability of the Ca2+

and K+ channels during HR. These results suggest that micro and macronutrients

may play a role in the Hypersensitive Reaction on the leaves of T. glabrescens.

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45

Introdução

A porcentagem de área foliar removida por herbívoros varia enormemente entre

espécies de plantas e entre regiões biogeográficas, atingindo até 100% em alguns

casos (Schowalter et al, 1986;. Rogers & Siemann, 2003). O impacto da perda de

tecido na planta hospedeira diz respeito não apenas à quantidade removida, mas

também a capacidade da planta hospedeira em tolerar o ataque. A herbivoria pode

ter um impacto significativo no crescimento das plantas, reprodução e capacidade

competitiva (Coley, 1983; Rosenthal & Kotanen, 1994; Krupnick et al, 1999). Em

resposta à perda dos tecidos valiosos, as plantas desenvolveram defesas induzida

contra o ataque por herbívoros (Williams & Whitham, 1986; Karban & Baldwin, 1997;

Fernandes & Negreiros, 2001; Santos et al, 2008).

Entre as respostas induzidas, a reação de hipersensibilidade (RH) tem sido

reconhecida como um importante mecanismo pelo qual as plantas se defendem

contra muitos herbívoros sésseis, incluindo insetos galhadores (revisado por

Fernandes, 1990, ver também Fernandes et al, 2000, 2003;. Fernandes & Negreiros,

2001; Ollerstam et al, 2002;. Höglund et al, 2005)..A RH resulta de uma série de

fatores bioquímicos, morfológicos e de processos fisiológicos que levam à

localização, confinamento e morte do tecido atacado e, conseqüentemente, do

intruso (Fernandes, 1990). Ele deve ter evoluído muito cedo no tempo evolutivo e,

provavelmente, contra patógenos e nematóides em primeiro lugar (Maclean et al,

1974;. Fernandes, 1990; Fritig et al, 1998;. Romero-Puertas et al, 2004;. Takabatake

et al. 2006; Baarlen et al, 2007).

No caso da interação planta patógeno, onde é mais bem estudado, um dos

primeiros sinais observados no desencadeamento da RH é a acumulação

intracelular de Ca2 + (Baker et al., 1987), seguida da ativação da H + extracelular / K +

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(Levine et al., 1996). Este sinal aciona uma grande e rápida produção de compostos

como as Espécies Reativas ao Oxigênio (ROS), incluindo a O2-H2O2 e OH,

(Hegedus et al., 2001), enzimas hidrolíticas, ácido salicílico, proteínas, lignina e

deposição de calose; biossíntese de complexos de antimicrobianos e metabólitos

secundários (Lamb & Dixon, 1997; Heath, 2000;. Ollerstam et al, 2002; Ollerstam &

Larsson, 2003; Levine, 2004; Leitner et al, 2005;. ver Mittapalli et al. , 2007). O

acúmulo de ROS na área de RH pode ser tóxico para a planta, levando à morte do

tecido foliar (necrose localizada). Em vários casos, o tecido necrótico desprende do

limbo foliar em desenvolvimento deixando uma lacuna que pode ser facilmente

confundida com a herbivoria por insetos mastigadores, como reportado em Tapirira

guianensis Aubl. (Anacardiaceae) (Fernandes et al. 2010).

As plantas também apresentam mecanismos para minimizar os danos causados

por esses compostos tóxicos que acompanham a RH. Entre eles, o superóxido

dismutase (Baker & Orlandi, 1995), uma classe de enzimas cofactorada com um

metal (Cu / Zn, Mn e Fe), o ciclo glutationa-ascorbato (Yoshimura et al, 2000.),

Catalase (Breusegem et al., 2001) e β-carotens (Baker & Orlandi, 1999). Além disso,

a resistência aos inimigos naturais podem ser melhorados com a disponibilidade de

nutrientes como o potássio (K) (Mandahar et al, 1998;. Orober et al, 2002;. Mitchell &

Walters, 2004), enxofre (S) (Bourbos et al, 2000;. Klikocka et al, 2005) e nitrogênio

(N) (Dietrich et al, 2004, 2005;.revisado por Walters & Bingham, 2007).

Terminalia glabrescens Mart. 1837 (Combretaceae) é uma árvore comum na

base da Serra do Cipó, sudeste do Brasil, que apresenta sinais de notáveis RH

contra o mosquito galhador (Diptera, Cecidomyiidae) em suas folhas (Magalhães et

al. 2010). Observações casuais também indicam que um grande número de buracos

encontrados na lâmina foliar são causados pela queda de tecidos necróticos

resultantes da RH, apesar de se parecer com o dano causado por insetos folivorous

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(ver Fernandes et al. 2010). Com base nas premissas acima postulamos que a

incidência da RH pode estar relacionada à concentração de nutrientes nas folhas. O

presente estudo teve como objetivos: primeiro, comparar a área foliar perdida por

RH e por insetos mastigadores em T. glabrescens. Este estudo pode ser de grande

importância, pois lança luz sobre os impactos causados por insetos galhadores

sobre suas plantas hospedeiras, assim como separá-las do ataque de outras guildas

de herbívoros. Em segundo lugar, testar a hipótese de que as concentrações de

nutrientes são maiores nas folhas que haviam desenvolvido o RH em relação às

folhas em que o RH não foi induzida. Por último, verificar se existem relações entre a

indução de RH e as concentrações de nutrientes nos diferentes ramos

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Material e métodos

O Parque Nacional da Serra do Cipó está localizado na porção sul da Serra do

Espinhaço, em Minas Gerais, Brasil. A área tem um clima do tipo Cwb de Köppen,

marcado por invernos secos (maio-setembro) e verões chuvosos (novembro-janeiro),

fortemente influenciado pela latitude e altitude (Schulz & Machado, 2000).

Precipitação média anual é de cerca de 1,250-1,550 mm e temperatura média por

volta de 18-19 º C (Madeira & Fernandes, 1999). O estudo foi feito em 2008, em um

período em que a precipitação média anual atingiu apenas 0,930 milímetros, e a

temperatura média foi de 18,6 º C (ICMBIO, 2010). A área amostrada é de cerca de

800 m a.s.l.

Terminalia glabrescens é uma árvore que pode chegar a 8-12 metros de altura,

é caracterizada pelo indumento tomentoso-ferruginoso, especialmente nos pecíolo e

próximo às nervuras abaxiais da folha, folhas obovadas a oblanceoladas, pecíolos

de até 1 centímetro de comprimento; frutos alados de 0,5 x 1,5 cm de comprimento

(Cielo-Filho & Santin, 2002). Sua distribuição se estende ao longo dos estados do

Maranhão, Ceará, Bahia, Mato Grosso, Mato Grosso do Sul, Distrito Federal, Goiás,

Minas Gerais, Espírito Santo, Rio de Janeiro, São Paulo e Paraná (Marquete 1995).

Nestes estados a árvore se desenvolve em áreas de Floresta Estacional

Semidecidual e Formações de Cerrado (Von Linsingen 2009). Na Serra do Cipó, e

também é freqüentemente encontrado em matas ciliares (Kawasaki, 1996).

Para esta pesquisa, foram selecionados ao acaso 30 indivíduos de T.

glabrescens de uma população encontrada perto do Córrego das Pedras (19 ° 20'45

.00 "S, 43 ° 36'30 .00" W) (19 º 21'15 .00 "S, 43 º 36'00 .00" W). Dez ramos terminais

foram coletados aleatoriamente em torno da copa de cada indivíduo (n = 300), cada

ramo teve todas as suas folhas contadas (n = 1675, média: 5,58 ± 0,09 folhas por

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ramo; ± EP). Os ramos foram marcados, prensados no jornal e transportados para o

laboratório para secagem em estufa, sob temperatura constante de 48 º C até atingir

peso constante.

Para calcular as áreas de necrose e perda (tanto pela queda e removidas por

folívoros) as folhas secas, foram digitalizadas usando um scanner de computador e

as imagens foram analisadas com o software Image Tool para Windows 3.0. Em

cada ramo, foram avaliados: i) a área foliar total, ii) a área de RH (necrose localizada

+ abcisão), e iii) área removidas por folívoros. As RH foram identificadas como

manchas circulares marrons ou avermelhados. As áreas necróticas abscisadas

foram reconhecidas como furos redondos sem alterações perceptíveis no tecido

adjacente. Quando os buracos são formados na ponta da folha ou em estágios

iniciais de expansão foliar, podem ter um formato ovalado ou deformados. As perdas

foliares que não se encaixaram na RH foram consideradas como removidas por

insetos folívoros.

Entre as folhas coletadas, 60 folhas por indivíduo foram selecionadas

aleatoriamente e divididos em dois tratamentos: i) apresentação de RH (n = 30

folhas por árvore) e ii) "saudável" (sem sinais de clorose, necrose ou herbivoria) (n =

30 folhas por árvore). As folhas foram moídas, o material resultante em pó foi

enviado para análise de macro (N, P, K, Ca, Mg, S) e micronutrientes (Fe, Zn, Cu,

Mn). Uma análise unidirecional de variância foi utilizada para testar se as

concentrações de nutrientes foram maiores nas folhas com RH quando comparados

com aqueles em que não tinha sido induzida RH. Para verificar se havia uma relação

entre a RH e a concentração de nutrientes nos ramos, os resultados das análises

nutricionais foram comparados com a área de RH (necrose + abscisão) no

tratamento "i" por meio de regressão linear e correlação de Pearson. Além disso,

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uma Análise de Componentes Principais (PCA) foi usada para observar a variação

dos nutrientes e da área de RH no tratamento "i" (com RH).

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Resultados

No presente estudo, um total de 4.97m2 (2.968,46 ± 450 mm2, ± EP, n = 1675)

de folhas de T. glabrescens foi coletado, no qual foi medido o tecido removido por

insetos folivoros, necroses localizadas e perda de tecido foliar devido à abscisão de

áreas de necrose. A área foliar removida por folívoros (34318mm2; 114,39 ± 17,34

mm2, ± EP, n = 300; 54,42% da área removida) apresentaram valores ligeiramente

superiores aos da área de RH (necrose + abscisão) (28738mm2; 96,43 ± 8.09mm2,

± EP, n = 300; 45,58% da área removida), embora a diferença não seja

estatisticamente significativa (F1.596 = 0,87, p = 0,35).

Somente a concentração de Fe nas folhas foi estatisticamente diferente entre os

tratamentos, sendo menor nas folhas em que a RH foi induzida (F 1,57 = 4,24, p =

0,04). As concentrações dos nutrientes N, P, K, Ca, Mg, S, Zn, Cu e Mn não foram

estatisticamente diferentes entre os dois tratamentos (com e sem RH; Tabela 1).

Embora as concentrações da maioria dos nutrientes não tenha sido correlacionados

com a área de RH (necrose + abscisão) (p> 0,05), menor área de RH foi observada

em plantas com maiores concentrações de enxofre (r = -0,39, p = 0,038) e Mn ( r = -

0,37, p = 0,045).

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Tabela 1. Análise de variância folhas com necrose localizada (RH) e folhas saudáveis.

Factor

HR (

N 1.42%

P 0.11 %

K 0.76 %

Ca 0.28 %

Mg 0.09 %

S 0.07 mg/kg

Zn 11.72 mg/kg

Fe 418.65 mg/kg

Cu 7.87 mg/kg

Mn 603.92 mg/kg

A relação entre a concentração

abscisão) nas folhas de T. glabrescens

Wilks> 0,05; KMO> 0,5; Bartlett Test <0,001), que explicaram cerca de 74,1% da

variação da área de RH

agrupou com a variação do Ca, K e Mn formando um segundo componente

(18,78%). A RH foi se

negativamente com a concentração de K e Mn. A variação da área de RH também

se agrupou com a variação das

Tabela 1. Análise de variância fatorial (ANOVA) da concentração de nutrientes em folhas com necrose localizada (RH) e folhas saudáveis.

Concentration

HR ( ) Healty ( ) F(1,57)

1.42% 1.36 % 0.44

0.11 % 0.11 % 0.16

0.76 % 0.81 % 0.77

0.28 % 0.27 % 0.03

0.09 % 0.10 % 0.02

0.07 mg/kg 0.07 mg/kg 0.38

11.72 mg/kg 11.89 mg/kg 0.02

418.65 mg/kg 574.48 mg/kg 3.89

7.87 mg/kg 7.81 mg/kg 0.005

603.92 mg/kg 599.19 mg/kg 0.006

A relação entre a concentração de nutrientes e a área de RH (necrose +

T. glabrescens foram agrupadas em quatro fatores (Shapiro

> 0,05; KMO> 0,5; Bartlett Test <0,001), que explicaram cerca de 74,1% da

de RH (Fig. 1). A variação da área de RH (necrose + abscisão)

com a variação do Ca, K e Mn formando um segundo componente

se associou positivamente com as concentrações de Ca e

negativamente com a concentração de K e Mn. A variação da área de RH também

com a variação das concentrações de Fe e Cu, formando o quarto

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ão de nutrientes em

F(1,57) p

0.44 0.50

0.16 0.68

0.77 0.38

0.03 0.84

0.02 0.87

0.38 0.53

0.02 0.86

3.89 0.044*

0.005 0.94

0.006 0.93

a área de RH (necrose +

s em quatro fatores (Shapiro-

> 0,05; KMO> 0,5; Bartlett Test <0,001), que explicaram cerca de 74,1% da

RH (necrose + abscisão) se

com a variação do Ca, K e Mn formando um segundo componente

positivamente com as concentrações de Ca e

negativamente com a concentração de K e Mn. A variação da área de RH também

de Fe e Cu, formando o quarto

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componente (13,99%), indicando que quanto menor a concentração destes

nutrientes, maior a área de RH total.

Figura 1. Análise de Componentes Principais (PCA) da área de RH (necrótico+abscisado) e nutrientes foliares

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Discussão

A reação de hipersensibilidade é reconhecida como uma necrose localizada, de

aspecto circular marrom ou vermelho-escuro (Fernandes et al., 2000). Esse tecido

pode se destacar do limbo deixando um buraco que poderia ser facilmente

confundido com herbivoria por insetos mastigadores (Fernandes et al., 2010). O

presente estudo, discrimina a remoção do tecido foliar por folívoros da desfolha

causada pela abscisão da área de necrose resultante da RH. Os sinais de herbivoria

e RH são frequentemente observados em várias espécies de plantas e famílias

(Fernandes & Negreiros, 2001). Da mesma forma, os indivíduos de T. glabrescens

amostrados na população estudada na Serra do Cipó apresentaram tanto marcas de

HR quanto perda de tecido necrótico por abscisão. Se neste estudo não tivéssemos

discriminado a origem dos buracos nas folhas de T. glabrescens, as estimativas de

área foliar removida por folívoros seriam superestimadas em cerca de 100% do valor

real, mascarando ou mesmo sugerindo falsos padrões e pressões na natureza.

Como esperado, os ramos que haviam desenvolvido RH (abscisão + necrose)

apresentaram maiores concentrações de Ca e menores de K nas folhas. O cálcio

(Ca 2 +) é um nutriente essencial para as plantas, crucial em funções de estrutura

celular, funcionamento da parede e membranas orgânicas e inorgânicas, além de

trabalhar como mensageiro intracelular no citoplasma (Marschner, 1995; revisado

por White & Broadley 2003). O potássio é um íon orgânico predominante nas células

vegetais, onde desempenha um papel fundamental no controle da pressão de

turgescência (hidrostática) e no crescimento dos tecidos. As mudanças no potencial

elétrico da membrana celular podem levar ao influxo e / ou de efluxo de íons de

cálcio e / ou de potássio das células através de canais iónicos permeáveis,

tonoplastos e / ou retículo endoplasmático (White, 2000; Sanders et al, 2002 ;

Michard et al, 2005). Genes envolvidos com a reação de hipersensibilidade podem

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alterar a permeabilidade dos canais de Ca2 + e K +, alterando suas concentrações no

tecido atacado. Alguns dos primeiros eventos de sinalização detectados durante a

RH são o influxo de Ca2 + e H + e efluxo de K + (Atkinson et al, 1990;. Guidetti-

Gonzale et al, 2007). A explosão oxidativa (produção de ROS), que ocorre durante o

RH pode, eventualmente, ser estimulada pelo rápido aumento de Ca2 + no tecido

(Lamb & Dixon, 1997). Plantas que crescem em ambientes naturais com

concentrações adequadas de Ca apresentam concentrações de cerca de 0,1 a 5%

d.wt por ramo (Marschner, 1995). As concentrações dos íons Ca nos tecidos

analisados indicam que eles seriam suficientes para desencadear a RH em T.

glabrescens. No entanto, bioensaios são necessários para a compreensão da

bioquímica dessas reações.

As superóxido dismutase (SOD) são enzimas que se combinam com um metal

(Cu / Zn, Mn e Fe) e catalisam a dismutação do H2O2 em O2- e HO2

+. As plantas têm

geralmente Cu / Zn-SOD no citosol, Cu / Zn e / ou Fe-SOD no cloroplasto e Mn-SOD

na mitocôndria (Baker & Orlandi, 1995). Portanto, a maior concentração de Fe nas

folhas saudáveis e a relação inversa entre o Mn, Cu e Fe e a área de RH pode ser

explicado pela função de detoxicação desempenhado por estes metais associados

com a superóxido dismutase. No ciclo glutationa-ascorbato quatro enzimas são

usadas: ascorbato peroxidase (APX) e redutase da dehydroascorbate (DHAR),

redutase monodehydroascorbate (MDA) e glutationa redutase. O H2O2 pode ser

reduzido e removido pela APX com ascorbato como redutor, formando o radical

monodehydroascorbate (MDA) (Yoshimura et al., 2000). As plantas mostram

múltiplas isoformas de catalases, que estão presentes no peroxissomos e

glioxisomes. O β-carotens são agentes eficazes de detoxicação do O2. Os

carotenóides participam do sistema antena dos cloroplastos, na absorção de luz e

de transferência de energia para os centros de reação. No entanto, os carotenóides

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também podem dissipar energia durante o estresse foto-oxidativo (Baker & Orlandi,

1999). Assim, a compreensão das reações bioquímicas envolvidas com a RH e a

química nutricional da planta hospedeira são profundamente necessárias.

O enxofre (S), na forma de compostos como fitoalexinas, glucosinolatos e H2S,

funciona como um mecanismo de defesa das plantas contra os inimigos naturais

(Schnug et al, 1995;. Bourbos et al, 2000;. Bloem et al, 2004.; Klikocka et al., 2005).

No entanto, as defesas da planta relacionados com a S não estão associados à

formação de RH (áreas de necrose). Assim, neste estudo, as plantas com maiores

concentrações de S apresentaram menor RH, possivelmente devido à resistência

não relacionada a hipersensibilidade (Höglund et al., 2005).

Estes resultados sugerem que micro e macronutrientes podem desempenhar um

papel importante na reação de hipersensibilidade em folhas de T. glabrescens,

embora estudos mais aprofundados sobre a reação de hipersensibilidade da planta

contra a indução de galhas são necessários, especialmente nos sistemas naturais.

Os autores agradecem a dois revisores anônimos pelas sugestões em versões

anteriores do manuscrito e do apoio logístico fornecido pelo Parque Nacional da

Serra do Cipó. O presente estudo foi financiado pelo CNPq (309633/2007-9.

476178/2008-8) e FAPEMIG (EDT-465/07, APQ-01278/08).

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