A RESINAGEM DE PINUS Um Novo Paradigma PRIMEIRA PARTE OLEORESINA DE PINUS - A sua biossíntese Alex CUNNINGHAM - alexcunn@gmail.com - V 2.1-pt - Junho 2008 http://areldorado.googlepages.com/ - http://picasaweb.google.com/ar.eldorado.ltda - http://areldorado.com/

INDICE RESINAGEM DE PINUS Um novo paradigma 1 - OLEORESINA DE PINUS A sua biossíntese 1.1 - METABÓLITOS PRIMÁRIOS E SECUNDÁRIOS 1.2 - BIOSSÍNTESE 1.3 - OLEORESINOSIS 1. 4 - PARADIGMA DA RESINAGEM 2 – A TÉCNICA DE RESINAGEM 2.1 – ESPECIES DE PINUS 2.2 – A RESINAGEM DE PINUS NO CONTEXTO MUNDIAL 2.3 – ESTIMULAÇÃO QUÍMICA 3 – PRODUÇÃO DE BREU E TEREBINTINA 3.1. – QUALIDADE DA MATERIA PRIMA 3.2 – FLOWSHEET E BALANÇO DE MASSA 4 - APÉNDICES Pinus elliottii, Itapeva, SP, Brasil Pinus tabuleiformis, Taiyuan, SX, China Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

“OS PINOS NÃO TEM PÉS” As plantas estão rodeadas de inimigos potenciais (e não podem fugir deles). Todos os ecosistemas tem uma ampla variedade de bactérias, virus, fungos, insetos, mamíferos e herbívoros, que ameação as plantas. COMPOSTOS QUÍMICOS ORGÂNICOS NATURAIS conhecidos como METABÓLITOS SECUNDARIOS defendem as plantas contra essa variedade de inimigos potenciais. Também servem para atrair animais polinizadores e dispersores de sementes, e como agentes na competição planta-planta. “... OS METABÓLITOS SECUNDARIOS SÃO A COR E O CHEIRO DAS PLANTAS ...” Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

1.1 - METABÓLITOS PRIMÁRIOS e SECUNDÁRIOS Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

METABÓLITOS SECUNDÁRIOS TERPENOS (25.000 compostos diferentes) Derivados biossinteticamente do ISOPENTENIL DIFOSTATO (5 átomos de carbono). a-pineno (terebintina), ácido abiético (breu), carotenoides, taxol, limoneno, oleos esenciais, borracha. COMPOSTOS NITROGENADOS (12.000 comp.) Contem um o mais átomos de nitrogenio. Alcaloides, glicosidos. cafeina, nicotina, cocaina, morfina, atropina. COMPOSTOS FENOLADOS (8.000 comp.) Formados por um o dois aneis aromáticos e um grupo funcional OH. Taninos, flavonoides, lignina, coumarina, vainillina, ácido salicílico. Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

MONOTERPENOS SESQUITERPENOS DITERPENOS Os TERPENOS derivan da união de uma o mais moléculas de ISOPENTENIL DIFOSFATO (IPP) geranil difosfato geranil geranil difosfato farnesil difosfato = dimetilalil difosfato Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

TERPENOS Metabólitos Primários Sesquiterpenos (C15) – Acido absisico, hormonio. Diterpenos (C20) – Giberelinas, hormonios. Triterpenos (C30) – Esteroles, estabilizadores de membranas celulares. Tetraterpenos (C40) – Carotenoides, pigmentos de fotosíntesis, amarelo, laranja e vermelho. Politerpenos ([C5]n) – Dolicholes, portadores de azucares. Clorófila. Metabólitos Secundários Monoterpenos (C5) – Piretrinas, insecticidas. a-pineno, b-pineno, limoneno, mentol, mirceno. Aproximadamente 200.000 toneladas de terebintina consumidas anualmente no mundo. Sesquiterpenos (C15) – Lactonas. Diterpenos (C20) – Acidos tipo abieticos e pimáricos (o breu). Aproximadamente 1.000.000 toneladas consumidos anualmente no mundo. Triterpenos (C30) – Limonoides, Cardoneloides e Saponinas. Politerpenos ([C5]n) – Borracha natural, polimero de 1.500 a 15.000 unidades de isopreno. Aproximadamente 7.000.000 toneladas consumidas anualmente no mundo. Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

Agora vamos tentar responder as seguintes perguntas: Quais são os caminhos da biossíntese dos metabólitos secundários? Quais são os caminhos da biossíntese dos terpenos? Quais são as enzimas envolvidas nos primeiros passos da biossíntese dos terpenos? Onde estão guardadas as fórmulas para a produção das enzimas envolvidas na biossíntese dos terpenos? Qual é o mecanismo que deslancha a expressão gênica para a produção das enzimas responsáveis da biossíntese dos terpenos? 1.2 - BIOSSÍNTESE DOS METABÓLITOS SECUNDARIOS Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

Metabólitos Primários Metabólitos Secundários C02 + Fotossíntese Eritrose-4-fosfato Fosfoenolpiruvato Piruvato 3-PGA Rota do Ácido Chiquímico Rota do Ácido Malónico Rota do Ácido Mevalónico Rota MEP Ciclo do ácido tricarboxílico Acetil CoA Aminoácidos alifáticos Aminoácidos Aromáticos Compostos Nitrogenados Compostos Fenólicos Terpenos Taiz, L.; Fisiologia Vegetal (2004) :312 1 2 Quais são os caminhos da biossíntese dos metabólitos secundários? Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

Taiz, L.; Fisiologia Vegetal (2004) :33 Célula Vegetal Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

IPP DMAPP IPP DMAPP FPP GPP GGPP Sesquiterpenos (C15) Monoterpenos (C10) Diterpenos (C20) Triterpenos (C30) Tetraterpenos (C40) CITOPLASMA CELULAR PLASTIDOS ? 2.5.1.21 5.3.3.2 5.3.3.2 2.5.1.29 2.5.1.10 2.5.1.1 2.5.1.29 2.5.1.10 2.5.1.1 2.5.1.29 1 2 Quais são os caminhos da biossíntese dos terpenos e as enzimas envolvidas? METAB. PRIMÁRIO METAB. PRIMÁRIO METAB. SECUNDÁRIO METAB. SECUNDÁRIO METAB. SECUNDÁRIO Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

Onde estão guardadas as fórmulas para a produção das enzimas envolvidas na biossíntese dos terpenos? DNA 3) Transporte ao citoplasma 2) Processamento 1) Transcrição 4) Tradução mRNA ENZIMA NUCLEO CITOPLASMA Expressão Gênica Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

Qual é o mecanismo que deslancha a expressão gênica para a produção das enzimas responsáveis da biossíntese dos terpenos? ATAQUE de BESOURO + FUNGO ou FERIMENTO NO CAULE DO PINUS São sinales ELICIDADORAS que deslancham a EXPRESSÃO GÊNICA para a produção das ENZIMAS que biossintetizam os TERPENOS (OLEORESINA) que são armazenados nos DUCTOS RESINIFEROS. A resposta aos ELICIDADORES e múltipla, e deslancha também a biossíntese de taninos (fitoalexinas), lignina, e produz uma resposta geral de hipersensibilidade na área afetada (floema). Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

ALGUMAS NOTAS SOBRE A BIOSSÍNTESE DOS TERPENOS. O pinus é uma fábrica completa, com depósito de matérias primas, de produto terminado, reatores de fabricação e a gêrencia de produção que indica quando e onde a oleoresina deve ser fabricada. Os caminhos da biossíntese dos metabólitos primários e secundários estão enlaçados. Existem duas rotas para a biossíntese dos terpenos. A enzima HMG CoA que no citoplasma celular (fixada no retículo endoplasmático) participa da biossíntese do IPP e altamente regulada (de vida muito curta). É um produto de aplicação farmacêutica, as estatinas, para controlar o colesterol. E dificil separar os caminhos de biossíntese dos terpenoides de função primária o secundária. Eles compartilham enzimas (identificadas na transparência pelo índice numérico) e tanto no citoplasma celular como nos plastidos se produzem terpenoides com funções de metabólitos primários e secundários. Poucas enzimas producem uma ampla gama de terpenos a partir de uma unica molécula de IPP. Se patenteou a fabricação do TAXOL , conhecido terpeno anticâncerigeno descoberto no Taxus brevifolia, a partir da ciclização do GGPP. O DNA do núcleo celular de angiospermas e gimnospermas guarda a codificação de aproximadamente unas 40 enzimas responsáveis pelas diferentes etapas da biossintese dos terpenos. A identificação e localização deles em diferentes espécies de plantas é estão sendo desenvolvidos agora. Alguns deles aparecem agrupados junto com o gene que codifica a prenyltranferase (GGPPS). Entender quais são os fatores que deslancham a expresão gênica para a biossíntese dos terpenos e a nossa clave. Quaies são tais elicidadores? Que outras respostas ocorrem como resultado do processo de elicidação? Será que estes sinais atuam diretamente sobre a expressão gênica ou são sinalizadoras de outros sistemas de transdução de sinal. Estas são perguntas que devemos tratar de responder a partir da experimentação. Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

A OLEORESINOSIS produzida por muitas coníferas pode haver evoluido como defensa contra ataques de inseto + fungo. A OLEORESINA é uma mistura de monoterpenos, sesquiterpenos, diterpenos e compostos neutros. A OLEORESINA no caule do pinus é sintetizada permanentemente pelas células epiteliais que forman a parede interna dos dutos resiníferos no xilema. A OLEORESINA e armacenada com pressão positiva. Algumas espécies de Pinus apresentam uma resposta induzida no floema (lugar da invasão) a um ataque patogênico. Tesis: Faldt, Jenny (2000) Volatil constituents in conifers and conifer-related wood decaying fungi. 1.3 - OLEORESINOSIS Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

Fatores ambientais sob a resposta constitutiva e induzida em Pinus taeda. María J. Lombardero, et all.; Ecology Letters, 3(2000) : 329-339 FLUXO DE RESINA MAIOR MENOR DEFESA CONSTITUTIVA DEFESA INDUZIDA STRESS – CRESCIMENTO LIMITADO CRESCIMENTO RÁPIDO ARVORES DE MELHOR CRESCIMENTO É UMA FUNÇÃO DO TAMANHO DA RESERVA DE CARBOHIDRATOS PRIORIDADE EM ALOCAÇÃO DE CARBOHIDRATOS APÓS INDUÇÃO Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

Mudança na produção de etileno e a concentração de monoterpenos em Pinus elliotti e Pinus taeda, após a inoculação com fungos transportados pelo besouro. Michael P. POPP, Jon D. JOHNSON and Mark S. LESNEY; Tree Physiology 15 (1995) :807-812 etileno (pl gDW-1 min-1) monoterpeno (mg gDW-1) Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

Regulação da Oleoresinosis em Abies Grandis Christopher L. Steele, et all.; Plant Physiology 116(1998) :1497-1504 Após fazer uma ferida no caule do Abeto foi detectado o seguinte: < 2 horas = transcrição gênica para a produção de enzimas para a biossíntese de monoterpenos. Os monoterpenos atuam como toxinas para os insetos e seus fungos patogênicos associados. > 3 horas = transcrição gênica para a produção de enzimas para a biossíntese de sesquiterpenos e diterpenos. Os sesquiterpenos atuam como solventes para a mobilização dos diterpenos (ácidos resínicos) responsáveis de bloquear a ferida. Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

Origem biossíntetico dos metabolítos secundários: causa de uma resposta variável das plantas lenhosas a fertilização? Julia Koricheva, et. all.; Chemoecology 8 (1998) : 133-139 “Os terpenos nas plantas lenhosas estão armazenados em compartimentos multicelulares complexos, como ser os ductos resiníferos, a construção deles pode estar limitada pela disponibilidade de nitrogênio. Por tanto foi sugerido que a produção de terpenos geralmente pode estar limitada pelo número e tamanho dos compartimentos de armazenamento, mais que pela disponibilidade de carbono para a sintesis dos terpenoides....” Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

O metil jasmonato induze cambios que copiam a defesa anatómica em diversas espécies de Pinaceas. J. W. HUDGINS, et all.; Tree Physiology 23 (2003) :361-371 Um ferimento em P. pungens induze a formação de ductos resiníferos na interface cambio-xilema. O tratamento com metil jasmonato em P. pungens induze o desenvolvimetno de ductos resiníferos. Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

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Modelos que tentan explicar o efeito dos padrões ambientais no metabolismo secundario das plantas: CNB – Carbon-Nutrient Balance (Bryant et al. 1983) GDG – Growth Differentiation Balance (Loomis 1932; Lorio 1986; Herms & Mattson 1992) PSH – Plant Stress Hypothesis (White 1984; Mattson & Haack 1987) SEI – Substrate/Enzime Inbalance (Waterman & Mole 1989) OA- Optimal Allocation (Tuomi et al. 1991) No ha concenso por ninguna de estas hipotesis (Koricheva et al. 1998a) A resistencia das plantas aos hervivoros e uma função de ambos metabolismos secundarios: o constitutivo e o inducido. Lombardero, M.J. Et al. (2000); Hamilton, J.G. Et al (2001) 22 Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

H2O CO2 LUZ SOLAR MICRONUTRIENTES FOTOSSÍNTESE BIOSSÍNTESE VIVER DEFENDER-SE AÇUCARES EVAPOTRANSPIRAÇÃO METABÓLITOS SECUNDÁRIOS METABÓLITOS PRIMÁRIOS CUSTO/ BENEFICIO Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

OLEORESINOSIS ESTRATÉGIA DE CUSTO/BENEFÍCIO ANTES DO ATAQUE DEFESA CONSTITUTIVA = CUSTO FIXO BIOSSÍNTESE DE OLEORESINA DUCTOS RESINÍFEROS APÓS O ATAQUE DEFESA INDUZIDA = CUSTO VARIÁVEL denovo BIOSSINTESE DE OLEORESINA DUCTOS RESINÍFEROS TRAUMÁTICOS DEFESA SISTEMICA = REALOCAÇÃO DE CUSTO FIXO Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

Custo metobólico para a acumulação de terpenoides em plantas superiores. JONATHAN GERSHENZON; Journal of Chemical Ecology 20 (1994) :1281-1328 Não há evidencia de uma rápida catabolização dos terpenoides nas plantas superiores. Custo da biossíntesis para a acumulação de terpenoides: 1 g de a-pineno = 3,54 g de glucosa Balanço de massa. Como podemos fazer ele? Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

ALGUMAS NOTAS SOBRE OLEORESINOSIS. A oleoresinosis é o processo pelo qual o pinus produz oleoresina como mecanismo de defesa contra insetos herbivoros e seus fungos associados. A estratégia é manter um sistema de defesa constitutivo com oleoresina armazenada nos dutos resiníferos. Mais também existe uma resposta induzida que disponibiliza a formação de novo da oleoresina após o ataque do predador. A oleoresinosis e un processo que ainda não esta completamente entendido. O processo de defesa acontece em todas as gimnos-permas mais tem uma ampla variedade de respostas. Por exemplo os abetos não tem ductos resiniferos e os pinos sim, mais o mecanismo de expressão gênica e similar nas duas clases. O mecanismo de sinalisazão e diferente. Sabemos que o Pinus responde a ação de fazer uma estria mediante a diferenzação celular para a formação de traqueidas primeiro e depois a formação de dutos resiníferos verticais. Faldt faz um analisis muito profundo do processo da oleoresinosis nas diferentes especies de pinus, analizando a qualidade das terebintinas e a variação de sua composição em função do mecanismo de elicidação. Exitem trabalhos feitos pelos ecologos que analisam o processo da oleoresinosis em base as teorias de balanço de carbono-nutriente, e de prioridades na alocação carbohidratos que podem levar a um entendimento do balanço de masa dentro do pinus em diferentes situações ambientais e de stress. O etephon (de nome comercial ethrel) é um ácido orgânico ( 2-cloroetil fosfonico) que no meio biológico (pH > 3,5) e em presença de água se descompõe em ácido fosfórico, cloro gasoso e etileno gasoso. Este é o método mais prático para a dosificação de etileno como sinalizador em diferentes culturas. Será que podemos fazer um balanço de masa que modele a alocação de recursos (carbohidratos fornecidos pela fotosíntesse) na disputa entre crecer e se defender (producir oleoresina)? Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008

Paralelismo entre a ecologia vegetal e a técnica de resinagem Inseto - Besouro (Dendroctonus spp., Ips spp.) Fungo associado ao inseto. (Ophiostoma spp.) ESTRIADOR PASTA ESTIMULANTE LIBERADORA DE ETILENO   Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008 1.4 – PARADIGMA DA RESINAGEM

Engenharia Florestal Técnica da Resinagem Ecología Vegetal Fisiología Vegetal Planta / Solo Atmosfera Vida da arvore Safra Manejo Fertilização Micronutrientes Ferimento mecánico. Estimulação química Sinalização do etileno Sinalização de formação de dutos resiníferos. Onde ocorem as cosas Escala de tempos Ataque do besouro. Ataque do fungo Caule Semanas Dias Celula Dias Horas  Paralelismo “O Paradigma da Resinagem de Pinus” Alex CUNNINGHAM alexcunn@gmail.com Junho 2008