Disponibilidade hídrica relacionada ao conteúdo de nitrogênio e à produtividade da alfafa (Medicago sativa L.)

A variação da abundância isotópica do ¹³C e fixação biológica do nitrogênio podem ser utilizadas em programas de melhoramento de cultivares de alfafa (Medicago sativa L.), pois contribuem para o entendimento de processos fisiológicos relacionados ao uso da água, fotossíntese, obtenção e uso do nitrogênio, bem como suas interdependências e efeitos sobre a produtividade, eficiência do uso da água e qualidade da biomassa produzida. Nesse sentido, torna-se necessária a avaliação do desempenho sob condições contrastantes em disponibilidade hídrica. Neste estudo, avaliou-se o desempenho de 12 e 6 cultivares de alfafa, respectivamente, em dois experimentos instalados em lisímetros no delineamento estatístico de parcelas subdivididas sob irrigação constante e regime de chuvas. Sob condições controladas, a alfafa responde positivamente à irrigação tanto em relação aos caracteres quantitativos quanto qualitativos e dentre os cultivares estudados, os cultivares Crioula Brasileira e Crioula Chilena apresentaram os melhores desempenhos. Na avaliação de seis meses de duração, não houve correlação entre a discriminação isotópica do carbono (DIC), fixação biológica de nitrogênio (FBN), produção de matéria seca (PMS) e eficiência do uso da água (EUA). Na avaliação de um ano sob irrigação a DIC correlacionou-se negativamente com PMS (-0,92**), EUA (-0,94**) e FBN (-0,79*). A FBN correlacionou-se positivamente com a PMS (0,93**) e EUA (0,87*). Sob regime de chuva não houve correlação entre os parâmetros. Existe uma tendência de correlação positiva entre a PMS e DIC demonstrada em inúmeros trabalhos científicos. Essa tendência pode ser alterada sob limitação de água, limitação ao desenvolvimento radicular ou quando o conjunto de cultivares analisadas é contrastante. Se a correlação permanece de forma positiva invariável, não existe possibilidade de aumento da EUA, uma vez que o aumento da DIC é resultado do aumento da transpiração.

Palavras-chave: alfafa, discriminação isotópica de carbono, eficiência do uso da água, fixação biológica de nitrogênio, Sinorhizobium meliloti

Variation in the abundance of ¹³C and biological nitrogen fixation in legume plants such as alfalfa (Medicago sativa L.) can be used in cultivar selection programs allowing a better understanding of the physiological processes related to water use, photosynthesis and biological nitrogen fixation and their interdependence. This would supply data for selection programs for the improvement of dry matter yield (DM), water use efficiency (WUE) and biomass quality. Thus evaluation of the plant under contrasting conditions becomes necessary, therefore in this study, the plants were evaluated under rainfall and irrigated conditions in lysimeters. In this study, 12 and 6 alfalfa cultivars was evaluated respectively in two experiments installed in lysimeters by split-plot statistical design under constant irrigation and regime of rains. The results showed the existence of a complex interdependence between the agronomic characteristics of the alfalfa cultivars. Under controlled conditions the alfalfa responded positively to irrigation, in relation to both quantitative and qualitative characteristics. The cultivars Crioula Chilena and Crioula Brasileira showed the best results. In the first evaluation (after 6 months) correlations between carbon isotopic discrimination (CID), biological nitrogen fixation (BNF), dry matter yield (DM) and water use efficiency (WUE) were not significant. In the second evaluation (after 1 year), under irrigated conditions CID was negatively correlated with DM (-0.92**), WUE (-0.94**) and BNF (-0.79*). BNF was positively correlated with DM (0.93**) and WUE (0.87*). Under non-irrigated conditions correlation between these parameters was not significant. There exists a tendency for a positive correlation between DM and CID in studies with C₃ plants that can be altered when water is limiting, root development is limited or when contrasting cultivars are used. If a positive correlation is maintained, the possibility of increasing the WUE is minimal, since the increase of CID is a result of the increase in transpiration.

Key Words: alfalfa, biological nitrogen fixation, carbon isotopic discrimination, Sinorhizobium meliloti, water use efficiency

A cultura da alfafa é dependente de uma série de fatores como a fertilidade do solo, topografia, práticas culturais e condições climáticas para que seja viável economicamente. O conhecimento aprofundado de manejo de solo, irrigação e beneficiamento da biomassa produzida desestimula o agricultor a plantar alfafa. Na região centro-sul do Brasil, as condições climáticas, exceto a má distribuição das chuvas durante os meses do ano, são propícias à cultura, com índices de produtividade que variam de 15 a 30 Mg.ha.ano^-1 de matéria seca (Botrel & Alvim, 1997; Oliveira et al., 1999).

A utilização de cultivares mais eficientes no uso da água em ambientes com irrigação pode resultar em aumento de produtividade de fitomassa da alfafa. Nesta condição, em que normalmente se atinge a capacidade de campo, a cultura apresenta sua maior intensidade de desenvolvimento na relação: uso da água/produção de biomassa e, as plantas de maior potencial produtivo diferenciam-se economizando ou, muitas vezes, utilizando de forma extravagante a água aplicada. Por outro lado, sob condições de regime de chuvas, alguns cultivares de alta produtividade não apresentam bom desempenho enquanto que outras, pequena redução no ritmo de crescimento em relação à condução com irrigação, demonstrando haver diferença genética entre os cultivares disponíveis para o agricultor.

A eficiência do uso da água (EUA) que refere-se a razão da biomassa produzida e a evapotranspiração (ET_m) (Cunha et al., 1994), resume o processo de transpiração da água absorvida pelo sistema radicular e assimilação do carbono via fotossíntese, o que, segundo Farquhar & Lloyd (1993) pode ser avaliado pela composição dos isótopos de carbono na matéria seca. A avaliação da EUA em lisímetros de balança é laboriosa e sujeita a erros. A avaliação com o auxílio da condutância estomática é pontual, enquanto que a análise da composição isotópica do carbono é o resumo de toda a atividade fotossintética ocorrida no período de crescimento (Johnson & Tieszen, 1994). A estimativa da demanda de água de uma cultura pode ser obtida pelo coeficiente de cultura de cada fase (Kc) (Doorenbos & Kassan, 1979). Para a cultura da alfafa a ET_m encontra-se ao redor de 800 a 1600 mm/ciclo, que varia de 28 e 45 dias. Os valores de Kc encontram-se em 0,4 após o corte; entre 1,05 e 1,20, no momento do corte; e média de 0,85 a 1,05. Sob condições de clima mediterrâneo, Metochis (1980) observou variação do Kc da alfafa de 0,75 no inverno e 1,10 no verão de Chipre.

A avaliação indireta da EUA pela discriminação dos isótopos de carbono (DIC) tem sido recomendada por inúmeros autores (Farquhar & Richards, 1984; Hubick et al., 1986; Condon et al., 1987; Hall et al., 1990; Asseng & Hsiao, 2000), seja sob condições de chuva ou irrigação artificial. Sob condições de estresse hídrico fatores como capacidade de produção de raízes, capacidade do mesofilo em fixar carbono e condutância estomática, são fundamentais e a relação entre DIC e EUA pode ser afetada (Matus et al., 1995). Plantas com elevados valores de DIC sob irrigação apresentam maior decréscimo da discriminação sob regime de chuva demonstrando a existência de outros fatores relacionados à EUA (White et al., 1990).

A utilização da DIC para estimar a EUA em alfafa vem sendo utilizada como ferramenta em trabalhos de seleção de cultivares (Johnson & Tieszen, 1994; Ebson et al., 1998). Dentre as vantagens do método, os autores destacam a rapidez da análise isotópica, a integração de performance da planta em uma única análise, a utilização de reduzido volume de material e sua ampla utilização em inúmeros artigos como índice para mensurar a EUA. A razão entre os isótopos estáveis de carbono (¹³C/¹²C) dentro do sistema solo-planta-atmosfera é resultado de processos físicos, químicos e biológicos que ocorrem nos ciclos biogeoquímicos. Para plantas, a razão isotópica está relacionada à entrada do CO₂ nos estômatos, à difusão do CO₂ intracelular e às propriedades bioquímicas da enzima RuBisCO, responsável pela fixação do CO₂ (Boutton, 1997). Existe variação isotópica entre plantas de diferentes ciclos fotossintéticos, entre plantas de mesmo ciclo fotossitético e até entre plantas de uma mesma espécie. A composição isotópica do carbono é medida em relação a um padrão internacional de concentração conhecida (PDB-Pee Dee Belemnite), conforme descrito por Farquhar et al. (1982) e pode variar de 0 a -110‰. Para estudos com materiais vegetais que possuem como fonte de CO₂ a atmosfera, cuja composição isotópica tende a se manter constante em -8‰, Farquhar & Richards (1984) propuseram a discriminação isotópica (DIC) em relação à razão isotópica do CO₂ da atmosfera que é a fonte de C às plantas para melhor entendimento do fenômeno de empobrecimento isotópico.

A interação alfafa/Sinorhizobium meliloti, que regula indiretamente a qualidade da fitomassa produzida, é uma das mais efetivas interações entre bactérias fixadoras de nitrogênio dos gêneros (Brady Sino) rhizobium e plantas leguminosas. Admitese a quantidade média de 450 kg.ha^-1.ano^-1 de nitrogênio como potencial para a obtenção de nitrogênio pela fixação biológica (FBN) (Fishbeck et al., 1987). Entretanto, existem registros de variação entre 120 e 250 kg.ha^-1.ano^-1 para regiões dos Estados Unidos onde se realizam 2 a 6 cortes por ano (Zhu et al., 1996) e 200 a 650 kg.ha.ano^-1 para países como Argentina que realizam até sete cortes anuais (Racca et al., 1998). Nas condições brasileiras a FBN na cultura pode chegar até 900 kg.ha^-1.ano^-1 (Oliveira et al., 1999).

A avaliação da FBN pela técnica de abundância natural obtida por análise da composição isotópica, apresenta resultados comparáveis a outras como a redução do acetileno ou fertilizantes enriquecidos com ¹⁵N (Shearer & Kohl, 1997). O aumento da FBN em alfafa depende da identificação de parâmetros relacionados à variação genética que possam ser integrados em programas de melhoramento, como a produção de matéria seca, número e massa de nódulos (Heichel et al., 1984) e atividade da enzima nitrogenase (Jassen et al., 1994) ou, a utilização de metodologias de aplicação direta para quantificação do processo.

O fracionamento isotópico durante o processo de assimilação do nitrogênio é uma interação entre a razão isotópica do nitrogênio absorvido pelo sistema radicular e o nitrogênio obtido via FBN (Mariotti et al., 1980). O efeito isotópico associado à fixação biológica de N₂ altera a composição isotópica da biomassa de plantas fixadoras em até 2‰ e associada a determinação da razão isotópica de uma planta não fixadora crescida nas mesmas condições, possibilita a quantificação do processo (Shearer & Khohl, 1997). A seleção de plantas em meio rico de N-mineral resulta em dependência do elemento, pois a alfafa pode utilizar preferencialmente o N do solo em detrimento do N obtido via FBN (Teuber & Phillips, 1986). Na presença de alta concentração de N-mineral, o sistema radicular e a formação de nódulos são afetados prejudicando o processo natural de absorção do nitrogênio, ocasionando um retrocesso nos programas de melhoramento que visam a viabilidade econômica da cultura.

A variação da razão isotópica de N (¹⁵N/¹⁴N), avaliada com o auxílio da determinação da abundância dos isótopos ou via enriquecimento isotópico é ferramenta única de avaliação direta da FBN, principalmente em condições de campo, em que outras técnicas se tornam inviáveis (Hardarson et al., 1984).

O teor de nitrogênio em plantas leguminosas é outra variável importante, por estar relacionado à produção de matéria seca. O processo de fotossíntese é dependente da atividade de enzimas como a Ribulose Bifosfato Carboxilase-Oxigenase (RuBisCO) que constituem grande parcela do N existente na planta. Para que haja maior atividade fotossintética é necessária a presença de concentração suficiente da enzima RuBisCO (Atkins, 1984).

Esse trabalho foi conduzido com os objetivos de identificar, entre 12 cultivares de alfafa, o mais produtivo, bem como estudar as relações existentes no processo de produção de matéria seca, eficiência do uso da água e fixação biológica de nitrogênio sob as condições climáticas de Piracicaba-SP.