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A cana-de-açúcar (Saccharum spp.), uma importante fonte de alimento e bioenergia, é uma importante cultura industrial adequada para cultivo em muitos países com condições climáticas tropicais e subtropicais. Devido à via fotossintética C4 para assimilação de carbono, a cana-de-açúcar é altamente produtiva, utilizando eficientemente insumos agrícolas, como água e fertilizantes. O processamento pós-colheita da cana-de-açúcar produz produtos economicamente valiosos, como açúcar e açúcar mascavo, juntamente com seus subprodutos - melaço, etanol e energia. A cana-de-açúcar é produzida por quase 100 países em uma área de 25,97 Mha, o que representa aproximadamente 1,5% do total de terras aráveis. A Índia sozinha contribui com 16% da produção mundial de cana-de-açúcar (aproximadamente 306 Mt), com uma produtividade média de 70 t·ha−1 1. Os principais estresses abióticos que afetam drasticamente a produção de cana-de-açúcar incluem déficits hídricos, alagamento, temperaturas extremas e propriedades do solo, como deficiência de nutrientes, salinidade, sodicidade e alcalinidade. O maior desafio para o desenvolvimento de culturas abióticas tolerantes ao estresse é identificar características específicas que conferem uma vantagem substancial de rendimento em condições de estresse.
Vários aspectos da fisiologia da cana-de-açúcar são pouco compreendidos, incluindo a relação raiz-parte aérea, que afeta drasticamente a produtividade da cana. A raiz da cana-de-açúcar não é tão bem estudada quanto os brotos, embora os diferentes tipos, como raízes estabelecidas, raízes de brotos e raízes adultas, possam ser distintos em termos de desenvolvimento com funções variadas. Diferenças genotípicas foram observadas em relação ao número e comprimento das raízes estabelecidas que emergem durante a germinação2. As raízes do pegamento estão implicadas na germinação das gemas da cana-de-açúcar, garantindo o estabelecimento precoce da cultura, e são posteriormente substituídas por raízes da parte aérea, que são robustas, emergindo da base da parte aérea em desenvolvimento3. Ramos finos observados nas raízes fixas ajudam a ancorar as plantas jovens e auxiliam na absorção de água e nutrientes até que sejam substituídas por raízes de brotos. Semelhante às raízes fixas, as raízes dos brotos também surgem dos primórdios radiculares presentes nos entrenós inferiores e não expandidos da cana.
Como as raízes dos brotos persistem na planta por mais tempo, elas são 4x-10x mais grossas do que as raízes estabelecidas. As raízes da parte aérea constituem o único sistema radicular da cana-de-açúcar, com um papel importante no crescimento e desenvolvimento posteriores. O vigor das raízes da parte aérea está positivamente associado ao vigor vegetativo geral da planta. O desenvolvimento contínuo das raízes resultante da renovação das raízes estabelecidas e das raízes da parte aérea dá origem ao "sistema radicular adulto" da cana-de-açúcar, que está sempre se adaptando às condições ambientais prevalecentes. Em geral, um sistema radicular mais profundo e prolífico disponibiliza mais água e nutrientes para a cultura do que uma distribuição mais rasa de raízes. Dissecações periódicas revelaram que, quando o teor de umidade do solo era alto, sistemas radiculares rasos foram observados, enquanto um sistema radicular muito mais profundo se desenvolveu à medida que o lençol freáticocaiu 2. O sistema radicular da cana-de-açúcar permanece ativo mesmo após a colheita da cultura, contribuindo para o crescimento da soqueira até que novas raízes da parte aérea surjam das gemas subterrâneas4. O ângulo radicular e o nível de ramificação radicular são dois fatores importantes que determinam o volume de solo explorado pelas raízes das plantas. O ângulo da raiz, uma característica genotípica, pode ser alterado por meio de melhoramento convencional ou abordagens moleculares para melhorar a tolerância a estresses bióticos e abióticos. Pelo contrário, o nível de ramificação radicular é influenciado principalmente pelo ambiente, necessitando de monitoramento periódico do desenvolvimento radicular e sua resposta às condições localizadas do solo.
As características anatômicas das raízes da cana-de-açúcar foram examinadas para verificar diferenças em relação ao genótipo e ao ambiente. A anatomia das raízes fixas na cana-de-açúcar se assemelha à das raízes maduras em outras gramíneas, como o milho, em que o córtex compreende camadas celulares bem diferenciadas em um padrão regular. A endoderme é suberizada, seguida por um periciclo de camada única. Os elementos do metaxilema são os principais condutores de íons água e nutrientes, dispostos radialmente e intercalados com grupos de floema, este último compreendendo um elemento de peneira com duas células companheiras. A grande massa central de células indiferenciadas forma a medula da raiz. Características anatômicas distintas das cultivares de cana-de-açúcar correspondem às propriedades hidráulicas das raízes, influenciando o movimento da água. Os primeiros estudos sobre as diferenças nas características anatômicas radiculares da cana-de-açúcar revelaram que, sob condições de baixo estresse hídrico, observou-se espessamento pronunciado da parede celular nas camadas imediatamente internas da endoderme, entre a medula e a região vascular, e ao redor dos vasos5. Essas células espessadas podem ser uma adaptação para evitar o fluxo de seiva para trás e para a resistência mecânica durante o estresse.
Algumas características importantes implicadas na resistência da cana-de-açúcar à seca incluem a espessura relativa e o número de camadas exodérmicas, a proporção do córtex para a estela, espaços intercelulares no córtex e pontas de cabelo radiculares espessas. As relações entre a área ocupada pelas células corticais e a área ocupada pelos tecidos estelares das raízes da parte aérea são significativamente diferentes entre as cultivares de cana-de-açúcar, com grande variabilidade em relação à área da estela6. A condutividade hidráulica das raízes da cana-de-açúcar está relacionada ao tamanho e ao número de elementos do metaxilema nas raízes da parte aérea. As camadas de células hidrofóbicas dentro da raiz provavelmente definem zonas de movimento da água apoplástica. Bandas de Casparian suberizadas são encontradas na endoderme e na hipoderme (denominadas exoderme), que servem como barreiras hidrofóbicas. A desintegração das células corticais leva à formação de aerênquima lisígeno em raízes mais velhas e em plantas submetidas a condições hipóxicas, independentemente da idade de desenvolvimento. A formação de aerênquima durante o estresse de encharcamento está correlacionada com a manutenção do crescimento em variedades resistentes7.
A morfologia e anatomia das raízes de Erianthus arundinaceus [Retzius] Jeswiet (gêneros relacionados a Saccharum spp.) estão implicadas em sua forte tolerância a estresses ambientais8. As raízes de Erianthus arundinaceus exibem raízes nodais distribuídas em ângulos acentuados, com pêlos de raízes densas para facilitar a absorção de água e íons nutrientes de zonas mais profundas do solo. O sistema radicular profundo consiste em muitas raízes nodais que crescem com ângulos de crescimento acentuados. O diâmetro das raízes nodais se correlaciona com o tamanho e o número de grandes vasos do xilema, o primeiro variando amplamente de 0,5 mm a 5,0 mm. Essas raízes nodais também formam uma bainha rizomatosa, com uma hipoderme mostrando esclerênquima lignificado no córtex externo (exoderme), aerênquima lisígeno na porção média do córtex e grânulos de amido na estela. Além da arquitetura e das características morfológicas, os compostos orgânicos exsudados pela raiz desempenham um papel importante na determinação da germinação, estabelecimento e sobrevivência das plantas, com efeitos alelopáticos plausíveis e/ou afinidade pela simbiose microbiana.
A atividade enzimática radicular e os detalhes mais sutis da morfologia, incluindo a pigmentação da capa radicular e o potencial de rejuvenescimento após a injúria, foram documentados em variedades de cana-de-açúcar cultivadas sob cultura hidropônica9. O crescimento radicular mostra uma resposta altamente plástica às mudanças no ambiente do solo, tanto em termos de forma quanto de tamanho do sistema radicular. A variedade de cana-de-açúcar mais eficiente seria aquela que tem poucos ou um número ideal de brotos, com um número correspondentemente menor de raízes, auxiliando em uma melhor sobrevivência durante condições estressantes. O estudo sistemático do sistema radicular deve, portanto, constituir um componente importante de qualquer programa de melhoramento de culturas10. A maioria dos experimentos com foco em raízes depende principalmente de aspectos de desenvolvimento, enquanto o foco na plasticidade funcional geralmente falta11. Além da distribuição estrutural, a plasticidade funcional da raiz desempenha um papel crucial na sobrevivência sob estresse e, portanto, apoiaria os melhoristas em seus esforços para incluir características do sistema radicular no pipeline de seleção para tolerância ao estresse abiótico e melhorar a robustez da cana-de-açúcar.
Considerando sua importância na sustentação do crescimento e da produtividade em ambientes estressantes, é essencial explorar e utilizar a variabilidade inerente às características do sistema radicular da cana-de-açúcar. Uma ênfase na seleção de características e mecanismos componentes que conferem sistemas radiculares superiores é o caminho a seguir para um melhor desempenho da cultura sob condições climáticas variáveis. A avaliação fenotípica é um processo longo e caro; no entanto, a integração de abordagens multifacetadas agregaria um tremendo valor à sua utilidade no melhoramento de culturas. Neste manuscrito, quatro abordagens diferentes para fenotipagem radicular em cana-de-açúcar são descritas, cada uma com seu próprio conjunto de méritos e deméritos, implicando que um esforço conjunto é necessário para chegar a resultados abrangentes e holísticos.