Estresse abiótico

Estresse abiótico é o impacto negativo de fatores não vivos nos organismos vivos em um ambiente específico. A variável não viva deve influenciar o ambiente além de sua faixa normal de variação para afetar adversamente o desempenho da população ou a fisiologia individual do organismo de maneira significativa.

Enquanto um estresse biótico incluiria distúrbios vivos, como fungos ou insetos nocivos, fatores de estresse abióticos ou estressores, ocorrem naturalmente, geralmente fatores intangíveis e inanimados, como luz solar intensa, temperatura ou vento que podem causar danos às plantas e animais da área afetada. O estresse abiótico é essencialmente inevitável. O estresse abiótico afeta os animais, mas as plantas são especialmente dependentes, se não apenas dependentes, de fatores ambientais, por isso é particularmente restritivo. O estresse abiótico é o fator mais prejudicial ao crescimento e produtividade das culturas em todo o mundo. A pesquisa também mostrou que os estressores abióticos são mais prejudiciais quando ocorrem juntos, em combinações de fatores de estresse abióticos.

Exemplos

O estresse abiótico ocorre de várias formas. Os estressores mais comuns são os mais fáceis para as pessoas identificarem, mas existem muitos outros fatores de estresse abióticos menos reconhecíveis que afetam os ambientes constantemente.

Os estressores mais básicos incluem:

• Ventos altos
• Temperaturas extremas
• - Não.
• Dilúvio
• Outros desastres naturais, como tornados e incêndios.
• Frio
• Calor de calor
• Deficiência nutritiva

Estressores menos conhecidos geralmente ocorrem em menor escala. Eles incluem: condições edáficas ruins, como teor de rocha e níveis de pH, alta radiação, compactação, contaminação e outras condições altamente específicas, como reidratação rápida durante a germinação das sementes.

Efeitos

O estresse abiótico, como parte natural de todo ecossistema, afetará os organismos de várias maneiras. Embora esses efeitos possam ser benéficos ou prejudiciais, a localização da área é crucial para determinar a extensão do impacto que o estresse abiótico terá. Quanto maior a latitude da área afetada, maior será o impacto do estresse abiótico naquela área. Assim, uma taiga ou floresta boreal está à mercê de quaisquer fatores de estresse abióticos que possam surgir, enquanto as zonas tropicais são muito menos suscetíveis a tais estressores.

Benefícios

Um exemplo de situação em que o estresse abiótico desempenha um papel construtivo em um ecossistema são os incêndios florestais naturais. Embora possam ser um risco para a segurança humana, é produtivo que esses ecossistemas queimem de vez em quando para que novos organismos possam começar a crescer e prosperar. Embora seja saudável para um ecossistema, um incêndio florestal ainda pode ser considerado um estressor abiótico, porque coloca um estresse óbvio em organismos individuais dentro da área. Cada árvore que é queimada e cada ninho de pássaro que é devorado é um sinal do estresse abiótico. Em escala maior, porém, os incêndios florestais naturais são manifestações positivas do estresse abiótico.

O que também precisa ser levado em consideração ao procurar os benefícios do estresse abiótico é que um fenômeno pode não afetar todo um ecossistema da mesma maneira. Enquanto uma inundação matará a maioria das plantas que vivem no solo em uma determinada área, se houver arroz lá, ele prosperará em condições úmidas. Outro exemplo disso está no fitoplâncton e no zooplâncton. Os mesmos tipos de condições são geralmente considerados estressantes para esses dois tipos de organismos. Eles agem de maneira muito semelhante quando expostos à luz ultravioleta e à maioria das toxinas, mas em temperaturas elevadas o fitoplâncton reage negativamente, enquanto o zooplâncton termofílico reage positivamente ao aumento da temperatura. Os dois podem estar vivendo no mesmo ambiente, mas um aumento na temperatura da área seria estressante apenas para um dos organismos.

Por fim, o estresse abiótico permitiu que as espécies crescessem, se desenvolvessem e evoluíssem, promovendo a seleção natural ao selecionar os mais fracos de um grupo de organismos. Tanto as plantas quanto os animais desenvolveram mecanismos que lhes permitem sobreviver a extremos.

Detrimentos

O prejuízo mais óbvio em relação ao estresse abiótico envolve a agricultura. Foi afirmado por um estudo que o estresse abiótico causa a maior perda de colheita do que qualquer outro fator e que a maioria das principais culturas é reduzida em seu rendimento em mais de 50% de seu rendimento potencial.

Como o estresse abiótico é amplamente considerado um efeito prejudicial, a pesquisa sobre esse ramo da questão é extensa. Para obter mais informações sobre os efeitos nocivos do estresse abiótico, consulte as seções abaixo sobre plantas e animais.

Em plantas

A primeira linha de defesa de uma planta contra o estresse abiótico está em suas raízes. Se o solo que contém a planta for saudável e biologicamente diverso, a planta terá uma chance maior de sobreviver a condições estressantes.

As respostas das plantas ao estresse dependem do tecido ou órgão afetado pelo estresse. Por exemplo, as respostas transcricionais ao estresse são específicas do tecido ou da célula nas raízes e são bastante diferentes dependendo do estresse envolvido.

Uma das respostas primárias ao estresse abiótico, como a alta salinidade, é a interrupção da relação Na+/K+ no citoplasma da célula vegetal. Altas concentrações de Na+, por exemplo, podem diminuir a capacidade da planta de absorver água e também alterar as funções enzimáticas e transportadoras. Adaptações evoluídas para restaurar eficientemente a homeostase de íons celulares levaram a uma grande variedade de plantas tolerantes ao estresse.

A facilitação, ou as interações positivas entre diferentes espécies de plantas, é uma intrincada teia de associação em um ambiente natural. É assim que as plantas trabalham juntas. Em áreas de alto estresse, o nível de facilitação também é especialmente alto. Isso pode ocorrer porque as plantas precisam de uma rede mais forte para sobreviver em um ambiente mais hostil, de modo que suas interações entre espécies, como polinização cruzada ou ações mutualísticas, tornam-se mais comuns para lidar com a severidade de seu habitat.

As plantas também se adaptam de maneira muito diferente umas das outras, mesmo de uma planta que vive na mesma área. Quando um grupo de diferentes espécies de plantas foi estimulado por uma variedade de diferentes sinais de estresse, como seca ou frio, cada planta respondeu de maneira única. Quase nenhuma das respostas foi semelhante, embora as plantas tivessem se acostumado exatamente ao mesmo ambiente doméstico.

Girassóis são plantas hiperacumuladoras que podem absorver grande quantidade de metal.

Solos serpentinos (meios com baixas concentrações de nutrientes e altas concentrações de metais pesados) podem ser uma fonte de estresse abiótico. Inicialmente, a absorção de íons metálicos tóxicos é limitada pela exclusão da membrana celular. Os íons que são absorvidos pelos tecidos são sequestrados nos vacúolos celulares. Este mecanismo de sequestro é facilitado por proteínas na membrana do vacúolo. Um exemplo de plantas que se adaptam ao solo serpentino são os Metalófitos, ou hiperacumuladores, pois são conhecidos por sua capacidade de absorver metais pesados usando a translocação da raiz para a parte aérea (que absorverá na parte aérea e não na própria planta). Eles também são extintos por sua capacidade de absorver substâncias tóxicas de metais pesados.

A preparação química foi proposta para aumentar a tolerância a estresses abióticos em plantas cultivadas. Nesse método, análogo à vacinação, agentes químicos indutores de estresse são introduzidos na planta em doses breves para que a planta comece a preparar mecanismos de defesa. Assim, quando ocorre o estresse abiótico, a planta já possui mecanismos de defesa preparados que podem ser ativados mais rapidamente e aumentar a tolerância. A exposição prévia a doses toleráveis de estresses bióticos, como infestação de insetos que se alimentam do floema, também demonstrou aumentar a tolerância a estresses abióticos nas plantas

Impacto na produção de alimentos

O estresse abiótico afeta principalmente as plantas usadas na agricultura. Alguns exemplos de condições adversas (que podem ser causadas por mudanças climáticas) são temperaturas altas ou baixas, seca, salinidade e toxinas.

• Rice (Oryza sativa) é um exemplo clássico. O arroz é um alimento básico em todo o mundo, especialmente na China e na Índia. As plantas de arroz podem sofrer diferentes tipos de estresses abióticos, como seca e alta salinidade. Estas condições de estresse afetam negativamente a produção de arroz. A diversidade genética foi estudada entre várias variedades de arroz com diferentes genótipos, utilizando marcadores moleculares.
• A produção de chickpea é afetada pela seca. Chickpeas é um dos alimentos mais importantes do mundo.
• O trigo é outra cultura importante que é afetada pela seca: a falta de água afeta o desenvolvimento da planta, e pode murchar as folhas.
• As culturas de milho podem ser afetadas por alta temperatura e seca, levando à perda de culturas de milho devido ao desenvolvimento de plantas pobres.
• A soja é uma grande fonte de proteína, e sua produção também é afetada pela seca.

Estresse salino em plantas

A salinização do solo, o acúmulo de sais solúveis em água em níveis que afetam negativamente a produção vegetal, é um fenômeno global que afeta aproximadamente 831 milhões de hectares de terra. Mais especificamente, o fenômeno ameaça 19,5% das terras agrícolas irrigadas do mundo e 2,1% das terras agrícolas não irrigadas (terras secas) do mundo. O alto teor de salinidade do solo pode ser prejudicial às plantas porque os sais solúveis em água podem alterar os gradientes de potencial osmótico e, consequentemente, inibir muitas funções celulares. Por exemplo, o alto teor de salinidade do solo pode inibir o processo de fotossíntese, limitando a absorção de água pela planta; altos níveis de sais solúveis em água no solo podem diminuir o potencial osmótico do solo e, conseqüentemente, diminuir a diferença no potencial hídrico entre o solo e as raízes da planta, limitando assim o fluxo de elétrons do H₂O a P680 no centro de reação do Fotossistema II.

Ao longo de gerações, muitas plantas sofreram mutações e construíram diferentes mecanismos para combater os efeitos da salinidade. Um bom combatente da salinidade nas plantas é o hormônio etileno. O etileno é conhecido por regular o crescimento e desenvolvimento das plantas e por lidar com condições de estresse. Muitas proteínas de membrana central em plantas, como ETO2, ERS1 e EIN2, são usadas para sinalização de etileno em muitos processos de crescimento de plantas. Mutações nessas proteínas podem levar a uma maior sensibilidade ao sal e podem limitar o crescimento das plantas. Os efeitos da salinidade foram estudados em plantas Arabidopsis que possuem proteínas ERS1, ERS2, ETR1, ETR2 e EIN4 mutantes. Essas proteínas são usadas para sinalização de etileno contra certas condições de estresse, como sal e o precursor de etileno ACC é usado para suprimir qualquer sensibilidade ao estresse salino.

Inanição de fosfato nas plantas

O fósforo (P) é um macronutriente essencial necessário para o crescimento e desenvolvimento das plantas, mas está presente apenas em quantidades limitadas na maior parte do solo do mundo. As plantas usam P principalmente na forma de fosfatos inorgânicos solúveis (PO₄^---), mas estão sujeitas a estresse abiótico quando não há PO solúvel suficiente₄^--- no solo. O fósforo forma complexos insolúveis com Ca e Mg em solos alcalinos e com Al e Fe em solos ácidos que tornam o fósforo indisponível para as raízes das plantas. Quando há P biodisponível limitado no solo, as plantas apresentam sintomas extensos de estresse abiótico, como raízes primárias curtas e mais raízes laterais e pêlos radiculares para tornar mais superfície disponível para absorção de fosfato, exsudação de ácidos orgânicos e fosfatase para liberar fosfatos de complexos moléculas contendo P e torná-lo disponível para plantas em crescimento' órgãos. Foi demonstrado que o PHR1, um fator de transcrição relacionado ao MYB, é um regulador mestre da resposta à privação de P nas plantas. PHR1 também demonstrou regular a extensa remodelação de lipídios e metabólitos durante o estresse por limitação de fósforo

Estresse por seca

O estresse hídrico, definido como déficit hídrico natural, é a principal causa de perdas de colheitas na agricultura. Isso ocorre porque a água é essencial para muitos processos fundamentais no crescimento das plantas. Tornou-se especialmente importante nos últimos anos encontrar uma maneira de combater o estresse causado pela seca. A diminuição da precipitação e consequente aumento da seca são extremamente prováveis no futuro devido ao aumento do aquecimento global. As plantas criaram muitos mecanismos e adaptações para tentar lidar com o estresse hídrico. Uma das principais maneiras pelas quais as plantas combatem o estresse hídrico é fechando seus estômatos. Um hormônio chave que regula a abertura e o fechamento estomático é o ácido abscísico (ABA). A síntese de ABA faz com que o ABA se ligue aos receptores. Essa ligação então afeta a abertura dos canais iônicos, diminuindo assim a pressão de turgor nos estômatos e fazendo com que eles se fechem. Estudos recentes, por Gonzalez-Villagra, et al., mostraram como os níveis de ABA aumentaram em plantas estressadas pela seca (2018). Eles mostraram que quando as plantas eram colocadas em uma situação de estresse, elas produziam mais ABA para tentar conservar a água que tinham em suas folhas. Outro fator extremamente importante para lidar com o estresse hídrico e regular a captação e exportação de água são as aquaporinas (AQPs). AQPs são proteínas integrais de membrana que compõem os canais. Esses canais' trabalho principal é o transporte de água e outros solutos essenciais. As AQPs são reguladas transcricionalmente e pós-transcricionalmente por muitos fatores diferentes, como ABA, GA3, pH e Ca²⁺; e os níveis específicos de AQPs em certas partes da planta, como raízes ou folhas, ajudam a atrair o máximo de água possível para a planta. Ao compreender os mecanismos dos AQPs e do hormônio ABA, os cientistas serão mais capazes de produzir plantas resistentes à seca no futuro.

É interessante que as plantas que são consistentemente expostas à seca formam uma espécie de "memória". Um estudo de Tombesi et al. descobriu que as plantas que haviam sido previamente expostas à seca foram capazes de criar uma espécie de estratégia para minimizar a perda de água e diminuir o uso de água. Eles descobriram que as plantas expostas a condições de seca realmente mudaram a maneira como regulavam seus estômatos e o que chamaram de "margem de segurança hidráulica". de modo a diminuir a vulnerabilidade da planta. Ao alterar a regulação dos estômatos e, posteriormente, a transpiração, as plantas conseguiram funcionar melhor quando menos água estava disponível.

Em animais

Para os animais, o mais estressante de todos os estressores abióticos é o calor. Isso ocorre porque muitas espécies são incapazes de regular a temperatura corporal interna. Mesmo nas espécies que conseguem regular a própria temperatura, nem sempre é um sistema totalmente preciso. A temperatura determina as taxas metabólicas, os batimentos cardíacos e outros fatores muito importantes dentro dos corpos dos animais, portanto, uma mudança extrema de temperatura pode facilmente prejudicar o corpo do animal. Os animais podem responder ao calor extremo, por exemplo, através da aclimatação natural ao calor ou escavando o solo para encontrar um espaço mais fresco.

Também é possível ver em animais que uma alta diversidade genética é benéfica para fornecer resiliência contra estressores abióticos severos. Isso funciona como uma espécie de estoque quando uma espécie é atormentada pelos perigos da seleção natural. Uma variedade de insetos galhadores estão entre os herbívoros mais especializados e diversos do planeta, e suas extensas proteções contra fatores de estresse abióticos ajudaram o inseto a ganhar essa posição de honra.

Em espécies ameaçadas

A biodiversidade é determinada por muitas coisas, e uma delas é o estresse abiótico. Se um ambiente é altamente estressante, a biodiversidade tende a ser baixa. Se o estresse abiótico não tiver uma presença forte em uma área, a biodiversidade será muito maior.

Essa ideia leva ao entendimento de como o estresse abiótico e as espécies ameaçadas estão relacionados. Foi observado através de uma variedade de ambientes que, à medida que o nível de estresse abiótico aumenta, o número de espécies diminui. Isso significa que as espécies têm maior probabilidade de se tornarem populações ameaçadas, em perigo e até mesmo extintas, quando e onde o estresse abiótico é especialmente severo.