Expansion pattern, anatomical and morphological characteristics and nutritive value of leaves of elephantgrass cv. Napier

Dentre as estruturas que compõem os fitômeros das gramíneas, a folha tem grande importância, pois é a fonte primária de produção de fotoassimilados para a planta como um todo e também é o componente de maior valor nutritivo. Em gramíneas, o alongamento de folhas e, consequentemente da nervura central, ocorre de forma não proporcional, afetando a morfologia e a anatomia das lâminas foliares e interferindo em seu valor nutritivo. Com o intuito de avaliar a relação entre tamanho final do limbo foliar, proporção e espessura da nervura central (NC) e sua relação com as características anatômicas e o valor nutritivo (VN) em lâminas foliares de diferentes tamanhos e ordens de inserção, foram conduzidos dois experimentos concomitantes utilizando um protocolo de plantas isoladas desenvolvido especificamente para esta finalidade no verão de 2017 (janeiro a março). A espécie estudada foi o Pennisetum purpureum Schum. cv. Napier (capim-elefante). O objetivo do primeiro experimento foi caracterizar o padrão de expansão e a morfologia da lâmina foliar seccionada em 10 fragmentos de mesmo tamanho, e caracterizar a anatomia ao longo dos segmentos basal, mediano-basal, mediano, mediano-apical e apical, ambos em lâminas foliares de perfilhos basais de diferentes tamanhos e ordens de inserção (fitômeros 5 a 16) em função de sua programação ontogênica. As coletas de amostras tiveram início a partir da expansão da 5ª folha (fitômero 5) e foram encerradas quando a 16ª folha completou sua expansão (fitômero 16). Para avaliar o efeito da idade da folha sobre a deposição de tecidos de sustentação, foram coletadas todas as folhas de dois perfilhos (um para avaliações anatômicas e um para avaliações morfológicas) no momento da expansão da 16ª folha, seguindo os mesmos critérios de avaliação descritos anteriormente. As plantas foram distribuídas segundo um delineamento em blocos completos casualizados com quatro repetições. O objetivo do segundo experimento foi caracterizar a relação entre o padrão de expansão das folhas (proporção de nervura central) e seu valor nutritivo ao longo dos segmentos de folhas descritos acima, nas mesmas folhas. A amostragem foi realizada quando a 16ª folha concluiu seu desenvolvimento e expôs sua lígula. Foram cultivadas 1320 plantas, divididas em três blocos homogêneos com 440 plantas cada, de modo a proporcionar a quantidade mínima necessária de material seco e moído para análises de proteína bruta (PB) e digestibilidade in vitro da matéria seca (DIVMS). As lâminas foliares apresentaram o mesmo padrão de expansão, apesar de diferentes valores de largura e comprimento final. A massa de nervura central variou linearmente com o aumento de massa da lâmina foliar, e apresentou redução em sua proporção da base para a porção apical da folha. Não houve variações significativas nas características anatômicas entre os segmentos das lâminas foliares quando a nervura central não foi considerada. Excluindo os segmentos em processo de senescência (fitômeros 5 a 7), as porções finais de folhas grandes apresentaram valor nutritivo semelhante àquele de folhas pequenas. As análises multivariadas de agrupamento (Cluster) e de componentes principais (PCA) agruparam e classificaram as folhas de acordo com seu nível de inserção no perfilho e aporte estrutural. As folhas mais longas foram caracterizadas como segue: 1- frações basais por altos valores de esclerênquima (ESC), massa seca da nervura (MSN), largura da nervura (LN) e mesofilo (MES) e baixos valores PB, área foliar específica (AFE), DIVMS e epiderme total (EpiT); 2- frações medianas com altos valores de feixes vasculares (FV), comprimento da folha (CF), comprimento do segmento (CS), massa seca do limbo (MSL), massa seca total (MST), largura do limbo (LL) e largura total (LT) e baixos valores de matéria mineral (MM); e 3- frações apicais (próximas ao ápice foliar) com altos valores de PB, AFE, DIVMS e EpiT e baixos valores de ESC, MSN, LN e MES. As folhas mais curtas, independentemente de suas porções ou segmentos, se caracterizaram por altos valores de DIVMS, MM, PB, EpiT e AFE e baixos valores de FV, ESC, MES, MSN, CF, CS. Os resultados podem ser utilizados para desenvolver modelos de crescimento tridimensional das plantas com a capacidade de predizer valor nutritivo e ingestão de nutrientes de animais em pastejo, bem como auxiliar no estabelecimento de metas de manejo do pastejo.Among the structures comprising grass phytomers, the leaf is important because it is the primary source of assimilate for the entire plant and is also the component of greatest nutritive value. In grasses, leaf elongation, and consequently mid rib elongation, occurs in a non proportional way, affecting the morphology and the anatomy of the leaf blade and impacting its nutritive value. This study aimed at evaluating the relationship between final leaf blade length and the proportion and thickness of the mid rib, as well as their relation with anatomical characteristics and nutritive value along the blades of leaves with different sizes and levels of insertion on the tiller (leaf age - phytomers 5 to 16). Two concomitant experiments were carried out during summer of 2017 (January to April) using an isolated plant protocol specifically developed for this purpose. Elephantgrass (Pennisetum purpureum Schum. cv. Napier) was used as model plant. The objective of the first experiment was to characterize the pattern of leaf expansion and the morphology and anatomy of the leaf blade in sections along its length (basal, median-basal, median, median-apical, apical) using leaves of different sizes and levels of insertion (phytomers 5 to 16) on basal tillers according to their ontogenetic organization. Sampling started when the fifth leaf (phytomer 5) completed its expansion and ended when the 16th leaf (phytomer 16) completed its expansion. In order to evaluate the effect of leaf age on the synthesis of support tissues, all leaves from two tillers (one for anatomical and other for morphological evaluations) were harvested when the 16th leaf completed its expansion, following the same procedures described above for individual leaves. The experimental design was a randomized complete block, with four replications. The objective of the second experiment was to characterize the relationship between the pattern of leaf expansion (proportion of mid rib in leaf blade) and nutritive value along the length (basal, median-basal, median, median-apical, apical portions) using leaves of different sizes and levels of insertion (phytomers 5 to 16) on basal tillers. Sampling was done when the 16th leaf completed its expansion and exposed its ligule. A total of 1,320 plants were cultivated in three homogeneous blocks of 440 plants each, ensuring the minimum amount of dry, ground material for the chemical analyses of crude protein (CP) and in vitro dry matter digestibility (IVDMD). There was a common pattern of leaf expansion despite the different final leaf blade width and length. The weight of mid rib varied linearly in relation to the increase in leaf blade mass, and showed a decreasing gradient of proportion from the basal to the apical portion of the leaf. Anatomically, there were no significant changes in tissue proportions along the length of the leaf blade when the mid rib was not considered. Except for the senescing apical portion of older leaves (phytomers 5 - 7), the apical portion of large leaves showed similar nutritive value (IVDMD and CP) to that of small leaves. The multivariate analyses of Cluster and Principal Components grouped and stratified phytomers according to their level of insertion on the tiller and structural support, with longer leaves characterized as: 1- basal portions with high values of sclerenchyma (SCL), mid rib mass (MRM), mid rib width (MRW) and mesophyll (MES) and low values of CP, specific leaf area (SLA), IVDMD and total epidermis (EPIt); 2- median portions with high values of vascular bundles (VB), leaf blade length (LBL), portion length (PL), non-mid rib leaf blade mass (LBM), total leaf blade mass (TLBM), non mid rib leaf blade width (LBW) and total leaf blade width (TLBW) and low values of mineral matter (MM); and 3- apical portion with high values of CP, SLA, IVDMD and EPIt and low values of SCL, MRM, MRW and MES. Shorter leaves were characterized by high values of IVDMD, MM, CP, EPIt and SLA and low values of VB, SCL, MES, MRM, LBL and PL. The results can be used for developing tridimensional plant growth models capable to estimate the nutritive value and nutrient intake by grazing animals, as well as to assist in establishing grazing management targets