As raízes das plantas sentem a compactação do solo através da difusão restrita de etileno

A compactação do solo afeta o cultivo global de culturas, reduzindo a penetração das raízes nas camadas superiores e mais profundas do solo. As práticas agrícolas modernas exacerbaram a compactação do solo, em grande parte devido à intensificação das operações que levaram à implantação de máquinas mais pesadas e práticas de cultivo (Correa et al., 2019), degradando severamente cerca de 65 milhões de hectares de terra globalmente. A compactação aumenta a densidade do solo e reduz a porosidade do solo, limitando a disponibilidade e o transporte de água e nutrientes (Hamza et al., 2005). A diminuição do espaço poroso do solo, especialmente em grandes poros cheios de ar (Fig. 1, A a D,), também restringe a difusão de gases entre as raízes e a rizosfera (Fujikawa & Miyazaki., 2005). Para lidar com solos compactados e penetrar em rachaduras, as raízes sofrem respostas adaptativas de crescimento, incluindo expansão radial aumentada das pontas das raízes. No entanto, a resposta predominante das raízes é a cessação do crescimento, para a qual a base mecanística permanece incerta.

Os autores Pandey et al. (2021) relatam que o etileno aprisionado funciona como um sinal chave que regula o crescimento das raízes em solos compactados. O etileno é produzido pelos tecidos radiculares e seu nível aumenta quando as raízes são expostas ao solo compactado. As concentrações de etileno fora da raiz podem aumentar como resultado da redução do espaço poroso do solo em solo compactado, o que afeta a difusão de gás dos tecidos radiculares (Fig. 1, A a D).

Raízes expostas a níveis elevados de etileno exibiram inibição de crescimento (Fig. 1, I e J), que fenotipicamente copiou o impacto da compactação do solo (Fig. 1, G e H). Os autores observaram que raízes de arroz cultivadas em densidades de solo de 1,1 g cm-3 (não compactadas) versus 1,6 g cm-3 (compactadas) exibiram comprimento radicular reduzido quando expostas a condições compactadas.

Como a compactação do solo induz a sinalização elevada de etileno nos tecidos radiculares? A impedância mecânica pode fazer com que as raízes regulem positivamente a síntese de etileno. O perfil do precursor de etileno ácido 1-aminociclopropano-1-carboxílico (ACC) em pontas de raízes de arroz excisadas não detectou nenhuma mudança nos níveis após o crescimento em solo compactado versus controles não compactados (Figura 2). Como alternativa, as raízes das plantas podem sentir a compactação do solo monitorando os níveis de etileno. As taxas de difusão de etileno mais lentas em condições de solo compactado (Fig. 3H) devido à diminuição do volume de poros cheios de ar (1) (Fig. 1, A a D). Isso resultará em uma maior concentração de etileno próximo às raízes (Fig. 3, F e G) e, portanto, nas células radiculares, consistente com a compactação do solo desencadeando uma resposta de etileno (Fig. 3, B, C e E).

Os autores ainda demonstram que a compactação do solo (e o aumento associado na umidade do solo devido à diminuição da porosidade) afeta as taxas de difusão de etileno. Essa difusão muito mais lenta do etileno no solo compactado resulta em uma resposta aumentada do etileno nas células das raízes (Figura 4). Este gás etileno aprisionado fornece um sinal rápido e confiável para as plantas interagirem com seu ambiente, porque quase todas as raízes produzem etileno sob condições normóxicas (condições onde a respiração anaeróbica e o metabolismo procedem normalmente e a maioria do ATP é regenerado via fosforilação oxidativa).

A perda de área da coifa da raiz das plantas devido a alta compactação do solo pode trazer consequências graves como maior sensibilidade ao alumínio. Com menor área de síntese de coifa, o alumínio pode degradar mais facilmente a coifa, o que pode acarretar no extravasamento de auxina que fica retida no ponto de quiescência da raiz, comprometendo drasticamente o crescimento radicular das plantas (Reis et al. 2018).

Referências

Correa, J., Postma, J. A., Watt, M., & Wojciechowski, T. (2019). Soil compaction and the architectural plasticity of root systems. Journal of experimental botany, 70(21), 6019-6034.

Fujikawa, T., & Miyazaki, T. (2005). Effects of bulk density and soil type on the gas diffusion coefficient in repacked and undisturbed soils. Soil Science, 170(11), 892-901.

Hamza, M. A., & Anderson, W. K. (2005). Soil compaction in cropping systems: A review of the nature, causes and possible solutions. Soil and tillage research, 82(2), 121-145.

Pandey, B. K., Huang, G., Bhosale, R., Hartman, S., Sturrock, C. J., Jose, L., … & Bennett, M. J. (2021). Plant roots sense soil compaction through restricted ethylene diffusion. Science, 371(6526), 276-280.

Reis, A. R., Lisboa, L. A. M., Reis, H. P. G., de Queiroz Barcelos, J. P., Santos, E. F., Santini, J. M. K., … & Lavres, J. (2018). Depicting the physiological and ultrastructural responses of soybean plants to Al stress conditions. Plant Physiology and Biochemistry, 130, 377-390.

Pandey, B. K., Huang, G., Bhosale, R., Hartman, S., Sturrock, C. J., Jose, L., … & Bennett, M. J. (2021). Plant roots sense soil compaction through restricted ethylene diffusion. Science, 371(6526), 276-280.