Short-term effects of boron, germanium and high light intensity on membrane permeability in boron deficient leaves of sunflower

Resumo

Foram estudados os efeitos do fornecimento variado de boro (B) (0,01–50 μM) e da intensidade luminosa (100–580 μmol m−2 s−1) no crescimento das plantas de girassol, sintomas nas folhas e permeabilidade da membrana das folhas ao longo de um período de 10 dias de crescimento em solução nutritiva. A permeabilidade da membrana foi medida incubando folhas jovens isoladas em água destilada aerada. Experimentos adicionais mostraram o efeito do fornecimento de curto prazo (20 min a 2 h) de B e germânio (Ge) na permeabilidade da membrana de folhas deficientes em B incubadas em água destilada. O baixo fornecimento de B diminuiu o crescimento da parte aérea e das raízes e causou pigmentação marrom-púrpura nas folhas jovens, particularmente sob altas intensidades de luz. O vazamento de K- das folhas aumentou com a gravidade da deficiência de B, enquanto, em folhas suficientes em B, o vazamento de solutos foi baixo. Além disso, o vazamento de fenólicos, aminoácidos e sacarose foi aumentado pela deficiência de B. Comparado às folhas suficientes em B, o vazamento das folhas deficientes em B foi 35 vezes maior para K+, 45 vezes maior para sacarose e 7 vezes maior para fenólicos e aminoácidos. Aumentos no vazamento de solutos foram marcados em áreas foliares com pigmentação marrom-púrpura e particularmente pronunciados pelo aumento da intensidade luminosa ou pela exposição das folhas à luz contínua. Em folhas severamente deficientes em B cultivadas sob alta intensidade luminosa, o tratamento com B e Ge até 1 000 μM por 20 min resultou em uma diminuição imediata no efluxo de K+ para níveis semelhantes aos das folhas suficientes em B. Diminuições rápidas semelhantes no efluxo de K+ também foram encontradas em folhas deficientes em B quando expostas à escuridão por 16 h ou 30 h antes da medição do vazamento.

Os resultados demonstram um papel particular do B na manutenção da integridade das membranas plasmáticas. Presume-se que o boro estabilize a estrutura da membrana plasmática complexando os constituintes da membrana. Ele também tem um efeito protetor nos constituintes da membrana ao complexar fenólicos, de modo que a oxidação de fenólicos a quinonas altamente tóxicas e radicais livres de oxigênio é evitada ou limitada. Nessas funções, o boro parece ser em grande parte substituível pelo germânio.

Abstract

The effects of varied boron (B) supply (0.01–50 μM and light intensity (100–580 μpmol m−2 s−1) on plant growth, leaf symptoms and membrane permeability of leaves were studied in sunflower plants over a 10-day-period of growth in nutrient solution. Membrane permeability was measured by incubating isolated young leaves in aerated distilled water. Additional experiments showed the effect of short-term supply (20 min to 2 h) of B and germanium (Ge) on membrane permeability of B-deficient leaves incubated in distilled water. Low supply of B decreased shoot and root growth and caused brown-purple pigmentation of young leaves, particularly under high light intensities. Leakage of K- from leaves increased with severity of B deficiency whereas, in B-sufficient leaves, leakage of solutes was low. Also leakage of phenolics, amino acids and sucrose was enhanced by B deficiency. Compared to B-sufficient leaves, the leakage from B-deficient leaves was 35-fold higher for K+, 45-fold higher for sucrose and 7-fold higher for phenolics and amino acids. Increases in solute leakage were marked in leaf areas with brown-purple pigmentation and particularly pronounced by increasing light intensity or by exposure of leaves to continuous light. In severely B-deficient leaves grown under high light intensity, treatment with B and Ge up to 1 000 μMM for 20 min resulted in an immediate decrease in K+ efflux to about the same levels as in B-sufficient leaves. Similar rapid decreases in K+ efflux were also found in B-deficient leaves when exposed to darkness for 16 h or 30 h before the leakage measurement.

The results demonstrate a particular role for B in maintaining the integrity of plasma membranes. Boron presumably stabilizes the structure of the plasma membrane by complexing membrane constituents. It also has a protective effect on membrane constituents by complexing phenolics, so that oxidation of phenolics to highly toxic quinones and oxygen free radicals is prevented or limited. In these functions, boron seems to be to a large extent replaceable by germanium.