GERMINAÇÃO DE SEMENTES

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1 GERMINAÇÃO DE SEMENTES JULIO MARCOS FILHO TECNOLOGIA DE SEMENTES DEPTO. PRODUÇÃO VEGETAL USP/ESALQ ESTUDO DA GERMINAÇÃO FISIOLOGIA VEGETAL ESTUDOS BÁSICOS E MAIS APROFUNDADOS, INDEPEN- DENTES DA IMPORTÂNCIA ECONÔMICA DA ESPÉCIE OBJETIVO PRINCIPAL: CONHECIMENTO DO PROCESSO AGRONOMIA TENTATIVA DE AMPLIAR CONHECIMENTOS SOBRE ESPÉCIES DE IMPORTÂNCIA ECONÔMICA OBJETIVO PRINCIPAL É A OBTENÇÃO DE SUBSÍDIOS PARA USO CORRETO E RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS Matéria seca do embrião DIVISÃO E EXPANSÃO CELULAR (FASES I e II) HISTODIFERENCIAÇÃO DEPOSIÇÃO DE RESERVAS (FASE III) DESSECAÇÃO (FASE IV) FORMAÇÃO / MATURAÇÃO REPOUSO FISIOLÓGICO Dias após o início do florescimento Dure III (1975) 1

2 REPOUSO FISIOLÓGICO ZIGOTO CRESCIMENTO DIFERENCIAÇÃO EMBRIÃO MADURO Repouso Ambiente desfavorável à germinação (temperatura e água) EMBRIÃO MADURO DEFIC. HÍDRICA REPOUSO FISIOLÓGICO CRIPTOBIOSE INIBIDORES BAIXO CONSUMO O 2 MENOR ATIVIDADE ENZIMÁTICA QUIESCÊNCIA DORMÊNCIA GERMINAÇÃO Sinal do ambiente para a planta Mecanismos de bloqueio do metabolismo, localizados em tecidos da planta Condições específicas Ambiente não totalmente favorável DORMÊNCIA = MECANISMO DE RESISTÊNCIA BLOQUEIO REPOUSO FISIOLÓGICO REPOUSO FISIOLÓGICO É MECANISMO DE DEFESA CONTRA VARIAÇÕES DO AMBIENTE QUE DIFICULTAM OU IMPEDEM AS ATIVIDADES METABÓLICAS RUMO À GERMINAÇÃO MECANISMOS BLOQUEADORES SE DESENVOLVEM E PASSAM A AGIR DURANTE A MATURAÇÃO AMBIENTE FAVORÁVEL REATIVAÇÃO DO METABOLISMO RETOMADA DO CRESCIMENTO EMBRIONÁRIO QUANDO A SEMENTE ENTRA EM REPOUSO, O TIPO DE LATÊNCIA (REPOUSO) JÁ ESTÁ ESTABELECIDO, COM BASE EM INFORMAÇÃO GENÉTICA PRÉ- EXISTENTE 2

3 REPOUSO FISIOLÓGICO REPOUSO FISIOLÓGICO HORMÔNIOS SÃO OS SENSORES E OS MENSAGEIROS DOS ESTÍMULOS AMBIENTAIS Ações - SÍNTESE DE SUBSTÂNCIAS ESPECÍFICAS - GERENCIAMENTO DE PROCESSOS FISIOLÓGICOS: ativação de genes SINAL INVERSO DO AMBIENTE ATIVAÇÃO DA TRANSCRIÇÃO HORMÔNIOS CESSA BLOQUEIO - ATINGEM CONCENTRAÇÕES PRÉ-DETERMINADAS PARA QUE SEJA ATIVADO OU NÃO O PROCESSO DE TRANSCRIÇÃO DA MENSAGEM GENÉTICA METABOLISMO PARA A GERMINAÇÃO Conteúdo de ABA aumenta durante a fase intermediária do período de desenvolvimento da semente de tomate Germinação (%) Germ. ABA Dias após a polinização Henk Hilhorst 3

4 ENTRADA E SAÍDA DA DORMÊNCIA DORMÊNCIA: ATUAÇÃO DE MECANISMOS PROGRAMADOS GENETICAMENTE, COMO RESULTADO DE INDUÇÃO IMPOSTA POR COMBINAÇÃO DE CONDIÇÕES ESPECÍFICAS DO AMBIENTE.. REINÍCIO DAS ATIVIDADES PODE OCORRER EM CÉLULAS LOCALIZADAS EM DIFERENTES PARTES DO EIXO EMBRIONÁRIO CONCEITUAÇÃO Dormência é um fenômeno em que as sementes não germinam quando expostas a condições favoráveis de ambiente, devido à atuação de fatores internos (Diversos autores) Dormência é o estado de repouso fisiológico em que a semente, em função de sua estrutura ou composição química, possui um ou mais mecanismos bloqueadores da germinação (Villiers, 1972) CONCEITUAÇÃO Egley (1995): Dormência consiste na incapacidade do embrião reassumir nível suficiente de crescimento para a protrusão da raiz primária, mesmo quando os fatores de inibição foram removidos e as condições de ambiente são favoráveis à germinação Baskin e Baskin (2004): CONCEITUAÇÃO Dormência: fenômeno caracterizado pela incapacidade da semente germinar, durante determinado período de tempo, sob combinações de condições ambientais que seriam favoráveis à germinação a partir do momento em que as sementes superam a dormência.????????? 4

5 1. Água INDUÇÃO DA DORMÊNCIA Seca na maturação de sorgo Seca na maturação de aveia Seca na maturação de leguminosas Menor acúmulo de ABA Maior atividade de giberelinas Sementes impermeáveis (%) Embebição (horas) Incidência de sementes com tegumentos impermeáveis a água, quando plantas de soja se desenvolveram em condições de deficiência hídrica ou com suprimento adequado de água (Hill et al., 1986) INDUÇÃO DA DORMÊNCIA 2. Temperatura: baixa ou elevada Elevada na maturação: dificuldade de acesso ao O 2 Membranas: sensores das variações da temperatura A síntese de inibidores ou a deficiente de promotores pode ser a causa Efeito da temperatura sobre a manifestação da dormência em sementes de cevada e de alface. (BEWLEY & BLACK,1985) Causa anaerobiose parcial 5

6 INDUÇÃO DA DORMÊNCIA Qualidade da luz 3. Fotoperíodo / luminosidade R-treatment Maturação sob vegetação densa: maior concentração de P V (forma inativa) FR-treatment Porcentagens de germinação sob diferentes temperaturas, no escuro, de sementes de alface produzidas sob a influência de radiações vermelhas ( R-treatment ) e infravermelhas ( FR-treatment ). Samuel Contreras. 100 INDUÇÃO DA DORMÊNCIA Germinação (%) luz fluorescente luz incandescente 4. Posição da semente na planta Exemplos: variações em função da posição na panícula, no interior da vagem e da posição da vagem na planta 5. Nutrição mineral Período pós-colheita (dias) Efeitos da qualidade da luz durante a maturação sobre a dormência de sementes de Arabidopsis thaliana (Hayes & Klein, 1974). Exemplo: em trigo, baixos níveis de K > ABA > dormência 6

7 SIGNIFICADO DA DORMÊNCIA PLANTA / SEMENTE Germinação apenas em ambiente favorável Maior longevidade da semente Resistência a condições adversas de ambiente Distribuição da germinação no tempo SIGNIFICADO DA DORMÊNCIA AGRICULTURA Conservação da semente durante longo período Resistência ao ambiente em campo e no armazém Impede a viviparidade Recursos de alta eficácia para a preservação da espécie Viviparidade em sementes de milho e de trigo Holdsworth et al. (1999) 7

8 SIGNIFICADO DA DORMÊNCIA AGRICULTURA Redução da emergência de plântulas em campo Germinação distribuída no tempo desuniformidade SIGNIFICADO DA DORMÊNCIA AGRICULTURA Longevidade de sementes de plantas silvestres Necessidade de tratamento Problemas no melhoramento genético Plantas voluntárias ou espontâneas Zea parviglumis Zea mays A domesticação e o melhoramento genético provocaram profundas transformações tanto na aparência como no deempenho das sementes Programas atuais de melhoramento têm incluído formas selvagens de espécies hoje cultivadas para incorporar características de resistência. Com isso, pode haver introdução de fatores indesejáveis, como a dormência Hilhorst 8

9 1. PRIMÁRIA TIPOS DE DORMÊNCIA Característica da espécie ou cultivar Ocorre sistematicamente, com intensidade variável, mas não dependente da região e ano Programada geneticamente, se instala durante a maturação TIPOS DE DORMÊNCIA 2. SECUNDÁRIA Ocorre esporadicamente, pós-maturidade, em resposta ao ambiente Sementes que não eram dormentes Sementes que haviam superado a dormência Em recesso, o aparato para desencadear a manifestação do mecanismo que determina a dormência Secagem de sementes de sorgo Secagem de sementes de arroz Alface x termodormência ou termoinibição Ciclos de Dormência CAUSAS DA DORMÊNCIA Dormência Primária Dormência Superada Germinação CLÁSSICAS - IMPERMEABILIDADE DA COBERTURA À ÁGUA Dormência Secundária - IMPERMEABILIDADE DA COBERTURA A TROCAS GASOSAS COM O AMBIENTE - RESISTÊNCIA MECÂNICA DA COBERTURA - EMBRIÃO IMATURO OU IMATURIDADE FISIOLÓGICA Representação esquemática das transições entre dormência e germinação (ciclos de dormência na mesma semente) Hilhorst, 1998 A contínua reversão dormência / não dormência caracteriza o ciclo - SUBSTÂNCIAS INIBIDORAS - COMBINAÇÃO DE CAUSAS 9

10 CAUSAS DA DORMÊNCIA CARVALHO & NAKAGAWA (1983) - Sistema de controle da entrada de água no interior da semente - Sistema de controle do desenvolvimento do eixo embrionário AMEN (1968) CAUSAS DA DORMÊNCIA - IMPERMEABILIDADE DA COBERTURA À ÁGUA - Sistema de controle do equilíbrio entre promotores e inibidores Subsistemas sensíveis a: luz, temperatura, O 2 e/ou CO 2, umidade (armazenamento, lavagem), etileno, substâncias receptoras de Hidrogênio ou eletrons (nitratos) - EQUILÍBRIO ENTRE PROMOTORES E INIBIDORES IMPERMEABILIDADE DA COBERTURA À ÁGUA Exemplos: soja perene, alfafa, calopogônio, trevos, leucena, centrosema, mucuna preta, quiabo, flamboyant, corda de viola, cuscuta SEMENTES DURAS Causas a) Porosidade do tegumento: ausência ou baixa densidade Poros cutícula epiderme hipoderme parênquima IMPERMEABILIDADE DA COBERTURA À ÁGUA Causas b) Suberina e/ou lignina na superfície do tegumento (cutícula e epiderme) c) Fechamento da fenda hilar d) Deposição de restos do endocarpo material ceroso e) Deposição de lipídios na base da camada paliçádica (epiderme) Monalisa 10

11 Espécie: Acacia caven Tratamento: ácido sulfúrico (90 min) IMPERMEABILIDADE DA COBERTURA À ÁGUA Testemunha Tratada Samuel Contreras 5 dias após s semeadura Sementes duras Sementes embebidas, não germinadas Sementes mortas (Seed Technologist Training Manual (Society Commercial Seed Technologists) TAMANHO DA SEMENTE GERMINAÇÃO (%) Pequena (0,76-1,0 cm 3 ) 57 Média/Pequena(1,01-1,25) 62 Média/Grande (1,26-1,5) 67 Grande (1,51-1,75 cm 3 ) 78 Influência do tamanho da semente e sobre a intensidade de dormência em mucuna preta (Nimer et al., 1983) Um pedreiro deixou areia amontoada debaixo de uma planta de Leucena e, evidentemente, não peneirou a respectiva, antes de preparar a argamassa. Depois de 9 anos... 11

12 RESISTÊNCIA MECÂNICA DA COBERTURA Há absorção de água e entrada de O 2, mas a expansão do embrião é limitada pela resistência da cobertura Exemplos: pêssego, manga, castanha do Brasil, Paspalum, alface (endosperma) Causa rara e menos aceita Resistência mecânica ou resistência à saída de inibidores? Enfraquecimento de paredes celulares: endo-β-mananase Aspectos do crescimento do eixo embrionário (Ee) no interior do endosperma (En), sem que ocorra protrusão da raiz primária, em sementes sem pericarpo. (Nascimento, 2002) IMPERMEABILIDADE DA COBERTURA A TROCAS GASOSAS Exemplos: alface (endosperma), abóbora, arroz, aveia, beterraba, cevada, maçã, trigo, Xanthium, gramíneas forrageiras RESISTÊNCIA À ENTRADA DE O 2 OU SAÍDA DE CO 2 3 days 6 days 9 days 9 days 25 days During germination After germination Café: restrição mecânica ao crescimento do embrião Amaral da Silva - Estrutura e/ou composição química da cobertura : barreira física? - Presença de inibidores - Beterraba (parede do ovário), arroz, cevada e forrageiras (glumelas), alface (membrana endosperma) - Mucilagem: semente ou fruto - Retenção de inibidores (glumelas) 12

13 Épocas (meses) Câmara Fria e Seca Armazém Convencional 1 Armazém Convencional ,3 13,3 13,3 3 13,5 12,5 10,1 6 10,2 10,0 7,7 9 5,0 8,6 5,8 12 7,8 9,8 6,8 Valores da atividade da polifenoloxidase (unidades/min/g) em extratos de sementes de arroz, quantificadas durante o armazenamento em diferentes locais em ambientes (Vieira et al, 2008) Épocas (meses) Câmara Fria e Seca Armazém Convencional 1 Armazém Convencional ,8 76,8 76, ,2 420,2 703, ,8 465,0 701, ,6 490,7 877, ,0 491,2 902,0 Valores da atividade daα-amilase (mu) em extratos de sementes de arroz, quantificadas durante o armazenamento em diferentes locais em ambientes (Vieira et al, 2008) IMATURIDADE DO EMBRIÃO Exemplos: alface (endosperma), abóbora, arroz, aveia, cenoura, beterraba, cevada, maçã, trigo, Xanthium, gramíneas forrageiras (Panicum, Brachiaria,Paspalum), pêssego, manga, castanha do Brasil Possíveis causas Desuniformidade de maturação Exigências específicas de ambiente Equilíbrio promotores x inibidores Efeitos do ambiente sobre as membranas (Gel) AÇÃO DE INIBIDORES Exemplos: alface (endosperma), abóbora, arroz, aveia, cenoura, beterraba, cevada, maçã, trigo, Xanthium, gramíneas forrageiras (Panicum, Brachiaria,Paspalum) pêssego, manga, castanha do Brasil, citros, pera, tomate, uva, girassol, algodão, amendoim Localização de inibidores: tegumento ( cobertura ), embrião, brácteas, polpa do fruto Tipos de inibidores Ácidos aromáticos: transcinâmico, cafeico, ferúlico, sinápico Lactonas: cumarina, anemonina, ácido parascórbico Terpenóides: ABA Taninos, compostos fenólicos, aldeídos (citral), alcalóides, (cafeína) 13

14 60 Modelo de dormência e germinação, com funções seletivas de hormônios (Khan, 1980) G C I Germinação (%) 40 G G G C C C I I I Germinação 20 G C I G C I Dormência Período a 20 o C (dias) Variações na germinação de sementes de maçã, associadas à remoção progressiva do tecido cotiledonar (Bewley & Black, 1985). G G C I C I Fisiologicamente não efetivo Fisiologicamente efetivo Cultivar Armazenamento (meses) Germinação de sementes de berinjela armazenadas sob condições normais de ambiente. (Yogeesha et al.) Níveis de ABA (ng/g peso úmido) em sementes de berinjela armazenadas durante diferentes períodos em condições normais de ambiente (Yogeesha et al., 2006) 14

15 TRATAMENTOS PARA SUPERAR A DORMÊNCIA - Profundidade da dormência é inversamente proporcional à idade da semente - Dormência pode persistir por períodos curtos ou prolongados - Há carência de métodos práticos para superar a dormência - Dificuldade: identificar a(s) causa(s) do bloqueio Tratamento Procedimento Causa (s) Superada(s) Armazenamento Condições normais Todas Escarificação mecânica Uso de material abrasivo ITA, ITG Luz Germinadores ou semeadura superficial ITG, IF, SPI Baixas temperaturas 5 a 10 o C, em ambiente úmido ITG, IF, SPI Água quente Imersão em água, a 60 o C (1 a 2 minutos) ITA Nitrato de potássio Em laboratório, a 0,2% (umedecer substrato) ITG, IF Lavagem em água corrente Durante 10 minutos IF, SPI Ácido sulfúrico conc. Em laboratório, 5 a 10 minutos ITA, ITG, SPI Temperatura elevada Secagem a 40 o C ITG, IF, SPI Éter, álcool, acetona Imersão durante 30 minutos ITA ITA: impermeabilidade do tegumento à água ITG: impermeabilidade do tegumento a gases SPI: balanço entre promotores e inibidores IF: imaturidade fisiológica do embrião Grau de 3 MESES 12 MESES Umidade (%) Não esc. Escarificada Não esc. Escarificada 8, , , , Efeitos da escarificação mecânica sobre a germinação de sementes de lespedeza, armazenadas com diferentes graus de umidade (Ward, citado por Carvalho e Nakagawa, 1980) POR QUE UM MESMO TRATAMENTO PODE SER CAPAZ DE SUPERAR MAIS DE UMA CAUSA DE DORMÊNCIA? 15

16 CAUSAS DE DORMÊNCIA AMEN (1968) - IMPERMEABILIDADE DA COBERTURA À ÁGUA - EQUILÍBRIO ENTRE PROMOTORES E INIBIDORES GERMINAÇÃO GERMINAÇÃO RETOMADA DO DESENVOLVIMENTO DO EMBRIÃO, ORIGINANDO UMA PLÂNTULA COMPREENDE UMA SEQUÊNCIA ORDENADA DE ATIVIDADES METABÓLICAS INICIADAS COM A EMBEBIÇÃO ENCERRAMENTO DO PROCESSO: BOTÂNICA PROTRUSÃO DA RAIZ PRIMÁRIA TECNOLOGIA DE SEMENTES PLÂNTULA NORMAL 16

17 Germinação e início do desenvolvimento da plântula Tomate NG G Embebição (h) germinação sensu stricto crescimento inicial da plântula Henk Hilhorst CONCEITOS DE GERMINAÇÃO Germinação pode ser encarada como uma sucessão de etapas que determina, em uma semente quiescente e com baixo teor de água, a retomada das atividades metabólicas e o início da formação de uma plântula, a partir do embrião (Mayer & Poljakoff-Mayber, 1975) Germinação compreende uma sequência ordenada de eventos metabólicos que resulta no reinício do desenvolvimento do embrião, originando uma plântula (Marcos Filho, 1986) Germinação de uma semente é a retomada de crescimento do embrião, que resulta na ruptura da cobertura da semente e na emergência da plântula (Copeland & Mc Donald, 1995) 17

18 Teor de Água (%) I II Período de Embebição III O PROCESSO DE GERMINAÇÃO A) FASE I: EMBEBIÇÃO REATIVAÇÃO DO METABOLISMO Entrada de água Início Respiração Início Digestão das Reservas B) FASE II: PROCESSO BIOQUÍMICO PREPARATÓRIO OU INDUÇÃO DO CRESCIMENTO Digestão Respiração Translocação Assimilação PADRÃO TRIFÁSICO DE ABSORÇÃO DE ÁGUA PELAS SEMENTES DURANTE A GERMINAÇÃO (Bewley & Black, 1978) C) FASE III: CRESCIMENTO Formação da plântula Padrão de captação de água I II III 0 MPa -0,5 MPa -1,0 MPa repouso crescim. Germinação completada Padrão trifásico de embebição Teor de Água (%) -2,0 MPa Henk Hilhorst Período de Embebição Embebição sob menores potenciais prolonga a duração da Fase II e retarda ou impede o início da Fase III 18

19 Potencial de Água: ψm + ψπ + ψp À medida que o material se hidrata, as moléculas de água passam a ocupar posições mais distantes da matriz (força de retenção diminui) O PROCESSO DE GERMINAÇÃO A) FASE I: EMBEBIÇÃO REATIVAÇÃO DO METABOLISMO - RÁPIDA CAPTAÇÃO DE ÁGUA : GRADIENTE DE POTENCIAL - 0,05 MPa -0,1 MPa - 50 MPa -150 MPa Transferência de água ocorre através de gradiente de energia, com movimentação da região de maior para a de menor potencial, até que seja alcançado o equilíbrio. A partir daí, entra em ação a condutividade hidráulica - DURAÇÃO: 8 A 16 HORAS - GRAUS DE UMIDADE (mínimos) COTILEDONARES: + 50% DE ÁGUA ENDOSPERMÁTICAS: 30 A 35% DE ÁGUA - REINÍCIO DO METABOLISMO: atividade respiratória, síntese e atividade de enzimas, início da digestão das reservas O PROCESSO DE EMBEBIÇÃO - Embebição ocorre gradativamente, com o umedecimento inicial dos tecidos mais próximos à superfície É estabelecida uma frente de hidratação, à medida que a água caminha para o interior da semente - Identifica-se fronteira nítida, deslocando-se para as partes mais secas e o aumento contínuo da quantidade de água nas partes umedecidas O umedecimento não é uniforme e sofre influência da região da semente em que há penetração de maior quantidade de água e das características e funções dos tecidos internos Embebição geralmente se inicia na extremidade oposta ao hilo, onde o tegumento é menos espesso (McDonald) 19

20 0 h 6 h 0 h 6 h 12 h McDonald, et al. A água se move rapidamente através da radícula devido à menor resistência oferecida pelos tecidos da região da comada negra 24 h 48 h A água se move lentamente quando penetra pela superfície McDonald, et al. do pericarpo (resistência do amido) CAPTAÇÃO DE ÁGUA POR DIFERENTES PARTES DA SEMENTE 2 EMBEBIÇÃO (horas) Captação de água por diferentes partes da semente de aveia durante a germinação (Burch e Delouche) EMBEBIÇÃO (horas) Velocidade de absorção de água por diferentes espécies (BURCH & DELOUCHE) 20

21 O PROCESSO DE GERMINAÇÃO B) FASE II: PROCESSO BIOQUÍMICO PREPARATÓRIO OU INDUÇÃO DO CRESCIMENTO - Drástica redução da velocidade de embebição e respiração AMILASES: AMIDO Glucídios Glicerol LIPASES: TRIGLICERÍDIOS Ácidos graxos Sacarose ATP ATP Sacarose Glucídios - Digestão reservas substâncias solúveis e difusíveis Aminoácidos ATP Síntese de novas proteínas PROTEASES: PROTEÍNAS Energia Peptídios Peptidases Aminoácidos pericarpo TRANSLOCAÇÃO DAS RESERVAS DIGERIDAS endosperma escutelo amido açúcar α amilase RNA Difusão das reservas digeridas para o eixo embrionário Fundamentalmente sacarose, aminoácidos e compostos fosfatados epicótilo DNA ASSIMILAÇÃO DOS PRODUTOS MOBILIZADOS radícula Gib camada de aleurona Transformação das reservas digeridas em paredes celulares e protoplasma; formação de novos tecidos ÁGUA SEMENTES DORMENTES NÃO ULTRAPASSAM A FASE II 21

22 PROCESSO BIOQUÍMICO PREPARATÓRIO Massa do eixo embrionário (mg) cotilédones hipocótilo epicótilo radícula Dias após a semeadura Massa dos cotilédones (mg) folhas primárias RESPIRAÇÃO Normalidade da germinação e do desenvolvimento de plântulas: Respiração, Atividade de Enzimas, Síntese de Proteínas Respiração é processo de liberação de energia química acumulada em moléculas de diversas substâncias orgânicas. Processos respiratórios: oxidação (aeróbica ou anaeróbica) de compostos orgânicos de alto valor energético e formação de substâncias mais simples (CO 2 eh 2 O). RESPIRAÇÃO C 6 H 12 O 6 CO 2 + H 2 O RESPIRAÇÃO Mitocôndrios centros respiratórios da célula A molécula de glucose é desmontada para originar substâncias mais simples; isto ocorre em fases distintas: Glicólise: transformação de glicose em ácido pirúvico Ciclo de Krebs: transformação de ácido pirúvico em ácido cítrico, nos mitocôndrios Cadeia Respiratória: síntese de ATP 22

23 RESPIRAÇÃO RESERVAS A energia é utilizada para as atividades metabólicas da célula HIDRATAÇÃO O ATP atua como elemento fundamental na cadeia de liberação de energia: armazena energia química para depois distribuí-la de acordo com as necessidades da célula DIGESTÃO ATIVIDADE ENZIMÁTICA RESPIRAÇÃO Para que ocorra o desenvolvimento normal do embrião, as reações do processo liberador de energia devem ser conjugadas às dos processos consumidores de energia TRANSLOCAÇÃO ASSIMILAÇÃO SÍNTESE COMPOSTOS INTERMEDIÁRIOS SÍNTESE DE DNA OUTROS COMPOSTOS ENERGIA RELAÇÕES METABOLISMO / ENERGIA Fase I Fase II Fase III pericarpo Crescimento da plântula Emergência da raiz Mobilização de reservas endosperma escutelo amido açúcar α amilase RNA Transcrição e tradução de novo RNA-m Degradação RNA-m armazenado Reparo DNA Síntese DNA Divisão celular epicótilo Gib DNA camada de aleurona Respiração, reparo e multiplicação mitocôndrios radícula Embebição Embebição das sementes e alterações associadas à germinação (Bewley et al., 2013) ÁGUA 23

24 O PROCESSO DE GERMINAÇÃO C) FASE III: CRESCIMENTO O PROCESSO DE GERMINAÇÃO C) FASE III: CRESCIMENTO - Divisão e/ou expansão celular - Protrusão da raiz primária (ruptura do tegumento) - Formação de plântula Epígea: mamona, cebola, feijão, pepino, abóbora, amendoim, soja, alface, café, algodão Hipógea: trigo, milho, cevada, arroz, fava seringueira, ervilha, - Novo impulso à embebição e atividade respiratória: sementes atingem > 65% de água Importância do tipo de germinação FASES DA GERMINAÇÃO DO MILHO folhas primárias FASES DA GERMINAÇÃO DA SOJA folhas primárias cotilédones epicótilo endosperma coleoptilo hipocótilo r. seminais raiz primária h 2-4 dias 5 6 dias 7 8 dias raiz primária tegumento 24 h 1-2 d 3 d 6 d 8 d 24

25 FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO INTRÍNSECOS Vitalidade x Viabilidade Situação da semente dormente Dormência Sanidade Grau de maturidade Genótipo Germinação (%) Germinação (%) Dias após o início da frutificação Alterações na germinação de sementes de soja Bragg durante a maturação (MARCOS FILHO) Período de armazenamento (semanas) H - 55 Longevidade de sementes de duas linhagens de milho e de seu híbrido, quando armazenadas a 30 o C e 75% de umidade relativa (CHANG) 25

26 FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO FATORES DO AMBIENTE Água Amolecer o tegumento (cobertura) Aumento volume embrião e endosperma Favorecer digestão, mobilização, assimilação de reservas Crescimento da plântula Síntese de enzimas Respiração Permeabilidade do tegumento (cobertura) a trocas gasosas Estrutura das membranas Édila (UFLA) LIBERAÇÃO EXSUDADOS DURANTE A EMBEBIÇÃO - Sementes são sensíveis à hidratação rápida, especialmente sob temperaturas mais baixas e quando apresentam baixo grau de umidade e contato com substrato de potencial hídrico elevado Em ambiente úmido os fosfolipídios se arranjam em camada dupla, na qual as caudas hidrofóbicas ficam orientadas para o centro e os grupos polares hidrofílicos se orientam para o exterior CONSEQUÊNCIA: liberação de solutos até o restabelecimento da organização das membranas (grau de umidade: + 25%) Problema é menos grave quando as sementes passam por desidratação lenta durante a maturação Cristalino líquido Hexagonal Problema se acentua em sementes mais danificadas e deterioradas 26

27 LIBERAÇÃO EXSUDADOS DURANTE A EMBEBIÇÃO Influência do teor de água de sementes de soja e do potencial hídrico sobre a liberação de exsudados (Rossetto et al.) LIBERAÇÃO DE AÇÚCARES, ÁCIDOS ORGÂNICOS, AMINOÁCIDOS, ÍONS POTENCIAIS (MPa) PERÍODO (h) Teor de Água (%) 9,0 11,0 13,0 QUANTIDADE -0,04 2 (*) ,5 9,2 7,2 8,4 6,5 4,9 5,1 5,9 4,0 TEMPO REORGANIZAÇÃO DO SISTEMA DE MEMBRANAS CELULARES -0, ,9 7,0 5,0 7,0 4,9 4,5 4,4 4,4 2,8 (*) Liberação de íons em µmho/cm/g Tratamentos PEG (MPa) 0,0-0,1-0,3-0,5 Germinação 10 o C Germinação 25 o C Efeitos da temperatura e da disponibilidade de água do substrato sobre a germinação de sementes de milho doce sh-2. (Chern e Sung) Plântulas originadas de sementes de J. B. França Neto soja expostas a embebição rápida 27

28 TOLERÂNCIA À DESSECAÇÃO Até que ponto a redução do suprimento de água ou a sua paralisação provocam prejuízos ainda recuperáveis? Capacidade adquirida durante a segunda metade do período de acúmulo de matéria seca (etapa final do processo de desenvolvimento), quando as membranas se tornam organizadas Teor de Água (%) I 1 2 II 3 III 4 No início da germinação, as células do embrião mantém a capacidade de tolerar a dessecação. Período de Embebição Qual é o estádio crítico? PADRÃO TRIFÁSICO DE ABSORÇÃO DE ÁGUA PELAS SEMENTES DURANTE A GERMINAÇÃO (Bewley & Black, 1978) TOLERÂNCIA À DESSECAÇÃO Período de Embebição (horas) Grau de Umidade (%) Protrusão da Raiz Primária (%) Germinação Pós- Secagem (%) A protrusão da raiz primária, indicando a proximidade da etapa de divisões celulares, representa a fronteira entre a tolerância e a sensibilidade à dessecação, para a maioria das espécies cultivadas 0 11, , , , , , , , Grau de umidade de sementes de milho hidratadas durante diferentes períodos e germinação após a secagem (Custódio et al., 1993) 28

29 TOLERÂNCIA À DESSECAÇÃO Mecanismos de tolerância à dessecação: - Presença de proteínas tipo LEA - Oligossacarídeos Ação: - Manutenção da capacidade de reparo do DNA - Prevenção da cristalização das membranas - Manutenção da estrutura das membranas SEMEADURA EM SOLO SECO FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição - Espécie Volume do eixo embrionário x tecido de reserva Composição química (reservas acumuladas) Emergência de plântulas (%) o C 20 o C 23,7 o C claro escuro Permeabilidade do tegumento (cobertura) Grau de umidade das sementes (%) Relação entre o grau de umidade (%) e a emergência de plântulas (%) de dois cultivares de feijão com tegumento de coloração diferente. (Adaptado de Demir et al.) 29

30 FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição - Temperatura - Potencial fisiológico Colheita Períodos de embebição (dias após R8) 6 24 R8 99,97 134, ,65 136, ,80 134, ,31 134, ,44 132, ,40 130, ,05 127, ,87 126,29 Resultados de testes de embebição conduzidos com sementes de soja UFV-1, colhidas em diferentes épocas (Vieira et al.) Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição Tamanho da semente Disponibilidade de água Afeta velocidade, percentagem e uniformidade Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição Disponibilidade de água ALGODÃO < -0,2 MPa menor velocidade < -0,4 MPa menor percentagem < -1,2 MPa não há emergência MILHO < -1,3 MPa não há emergência TRIGO < -0,8 MPa menor velocidade < -1,6 MPa não há emergência 30

31 Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição Disponibilidade de água SOJA (Sá) < -0,2 MPa < velocidade < -0,4 MPa < percentagem < -0,8 MPa não há emergência Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição Disponibilidade de água Afeta velocidade, percentagem e uniformidade Relações com aeração Capacidade de campo: - 0,01 a -0,05 MPa Ponto de murcha permanente: -1,5 MPa Emergência de plântulas de soja, em dois tipos de solo com diferentes teores de água (PESKE) A) Barro areno-argiloso 14% -4,4; 16% -1,9; 20% -0,4; 22% -0,17 atm B) Barro arenoso 9% -1,1; 11% -0,48; 13% -0,21 atm Espécie Germinação Grau de umidade do solo (%) (%) Repolho Girassol Milho doce Melancia Cebola Feijão vagem Alface Ervilha Aipo Emergência de plântulas em solo argilo-arenoso com diferentes graus de umidade. Fonte: Popinigis (1977). (*) capacidade de campo = 16% de água; ponto de murchamento permanente = 9% de água 31

32 Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição Disponibilidade de água Afeta velocidade, percentagem e uniformidade Relações com aeração Capacidade de campo: - 0,01 a -0,05 MPa Ponto de murcha permanente: -1,5 MPa Potencial fisiológico Teor de água da semente Influência do teor de água das sementes e do potencial hídrico sobre a emergência de plântulas de soja, cv. IAC-15 (Rossetto et al., 1997) LOTES 1 2 POTENCIAIS (MPa) -0,04-0,1-0,2-0,4-0,04-0,1-0,2-0,4 Teor de Água (%) 9,0 11,0 13, Cultivar Teor de água (%) Testem. 9,0 11,0 13,0 15,0 17,0 POTENCIAL HÍDRICO (MPa) Germinação (%) Velocidade de Germinação Comprimento Hipocótilo (cm) Emergência (%) T NT T NT T NT T NT - 0, ,3 9,2 4,6 4, BR Embrapa Influência do teor de água de sementes de soja, no momento da semeadura, sobre a germinação (Toledo et al., 2010) - 0, ,6 8,1 3,9 3, , ,0 4,7 3,3 3, Efeitos da disponibilidade hídrica e tratamento fungicida sobre o desempenho de sementes de dois cultivares de soja (SÁ) Testemunha: grau de umidade + 7,2% 32

33 FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO FATORES DO AMBIENTE Temperatura Germinação seqüência ordenada de reações químicas Temperatura x atividade enzimática Afeta percentagem, velocidade e uniformidade Temperaturas cardeais e variações Sementes dormentes e deterioradas Temperaturas alternadas Temperatura e velocidade de germinação de sementes de couve-flor (GULLIVER & HEYDECKER, 1973) ESPÉCIE ÓTIMA MÍNIMA MÁXIMA Milho Quiabo Repolho Soja Tomate Trigo Temperaturas cardeais ( o C) para a germinação de sementes de algumas espécies cultivadas ESPÉCIE ÓTIMA MÍNIMA MÁXIMA Abóbora Alface Arroz Aveia Beterraba Café Cebola Cenoura Cevada Ervilha Temperaturas cardeais ( o C) para a germinação de sementes de algumas espécies cultivadas 33

34 FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO FATORES DO AMBIENTE FATORES DO AMBIENTE Oxigênio Oxigênio Composição do ar 20% O 2, 0,03% CO 2, 80% N Concentração de 10% O 2 é suficiente Concentração > 0,03 % CO2 geralmente inibe Problemas G e r m i n a ç ã o (%) % 15% 10% 3% 5% Preparo e manejo do solo Encharcamento Tempo (dias) Período de germinação de sementes de tomate, a 25 o C, em atmosfera contendo diferentes níveis de oxigênio (%). (Corbineau e Come) FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO FATORES DO AMBIENTE Luz Sementes pequenas e recém-colhidas: hortaliças, forrageiras; silvestres Não é fator imprescindível para as não dormentes Classificação Fotoblásticas positivas Fotoblásticas negativas Neutras ou não fotoblásticas Radiações promotoras: 660 a 700nm Radiações inibidoras: >700nm; < 440nm Mecanismo da ação da luz: pigmento responsável é o fitocromo, cromoproteína localizada no eixo embrionário Presente em duas formas: ativa (Fvd, Pvd ou P730) pico na região de nm inativa (Fv, Pv ou P660) pico na região de nm F V inativa Vermelha F vd ativa Infra-vermelha OU Vermelho-distante OU Escuro Última exposição determina a forma do fitocromo que permanecerá em maior concentração 34

35 FATORES DO AMBIENTE Luz 100 Promoção Fotoblásticas positivas exigem concentração de Fvd superior a determinado limite 50 Disparo do processo de germinação Inibição Síntese de hormônios Reinício da transcrição da mensagem genética Relações entre radiações de comprimentos de onda específicos (nm) e a germinação de sementes de alface sensíveis à luz (Flint e McAllister, 1937 Ação apenas em sementes embebidas AÇÕES DA LUZ Promover controle respiratório Permeabilidade da cobertura ao oxigênio Ativação de enzimas Síntese de hormônios Metabolismo de lipídios Permeabilidade de membranas SUBSTITUTOS DA LUZ Remoção ou incisão nos tegumentos Baixas temperaturas (estratificação) Armazenamento em locais secos Aumento na tensão de oxigênio Giberelinas FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO AGENTES QUÍMICOS Tiouréia Nitrato de potássio Água oxigenada Ácido sulfúrico Bioestimulantes 35

36 Tratam. Germin. Veloc. Compr. Raiz Compr. P. Aérea Envelhec. Frio Test 93 a 11,10 a 11,27 a 5,48 a 90 a 75 a 5 ml 88 a 11,02 ab 10,84 a 5,85 a 69 bcd 65 abc 10 ml 89 a 10,11 abc 11,18 a 6,48 a 75 bc 50 cde 15 ml 86 a 10,38 abc 10,72 a 5,19 a 74 bcd 56 bcd Germin. (%) Compr. Raiz (cm) Emerg. Pl. (%) Tratamentos L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 Test ,1 13,4 11, m/kgl ,1 13,5 12, ml/kg ,9 13,9 11, ml/kg ,6 13,3 12, ml 87 a 9,42 c 10,48 a 5,94 a 61 d 39 e Efeitos de tratamentos com diferentes doses de Stimulate sobre o desempenho de sementes de milho híbrido AG-405 (Marcos Filho, 2004). Efeitos de tratamentos com diferentes doses de Stimulate sobre o desempenho de três lotes de sementes de soja (Marcos Filho) FUNÇÕES DOS FITOHORMÔNIOS PROMOÇÃO, INIBIÇÃO OU ALTERAÇÃO QUALITATIVA DO DESENVOLVIMENTO Auxinas PERMEABILIDADE DAS MEMBRANAS CRESCIMENTO RAIZ PRIMÁRIA E CAULE EFEITOS ESTIMULANTES OU INIBITÓRIOS (dependendo da concentração) Citocininas TRADUÇÃO DA MENSAGEM GENÉTICA EFEITO SINERGÍSTICO COM A LUZ CONTRABALANÇAR EFEITOS DE INIBIDORES (Cumarina e ABA) SUPERAR DORMÊNCIA SECUNDÁRIA (temperatura alta e ausência de luz) ALTERAÇÃO DA PERMEABILIDADE DAS MEMBRANAS ESTÍMULO À DIVISÃO E ALONGAMENTO CELULAR FUNÇÕES DOS FITOHORMÔNIOS Giberelinas DIGESTÃO ESTÍMULO À SINTESE E ATIVIDADE DE ENZIMAS SUPERAR EXIGÊNCIAS DE LUZ OU DE BAIXAS TEMPERATURAS CRESCIMENTO DA PLÚMULA ALONGAMENTO CELULAR TRANSCRIÇÃO DO GENOMA REVERSÃO DE EFEITOS PROVOCADOS POR TEMPERATURAS E PRESSÕES OSMÓTICAS ELEVADAS ESTÍMULO À VELOCIDADE DE GERMINAÇÃO AMPLIAÇÃO DOS LIMITES DE TEMPERATURA ÓTIMA ATUAÇÃO NA SÍNTESE DE COMPONENTES ESSENCIAIS E NA FLEXIBILIDADE DAS MEMBRANAS 36

37 FUNÇÕES DOS FITOHORMÔNIOS ÉPOCA DE SEMEADURA Etileno AUMENTAR LIBERAÇÃO E MOVIMENTO DE ENZIMAS Cult. Época Emerg (%) Germinação (%) Envelhecimento (%) Tetrazólio 6-8* (%) C V E 1 C E 2 C E 1 V E 2 V E 1 C E 2 C E 1 V E 2 V E 1 C E 2 C E 1 V E 2 V PERMEABILIDADE DA COBERTURA A GASES FORMAÇÃO DA ALÇA HIPOCOTILEDONAR ATENUAR A EXIGÊNCIA DE TEMPERATURA ESPECÍFICA INFLUÊNCIA NO EQUILÍBRIO PROMOTORES / INIBIDORES DA GERMINAÇÃO 1 2 S S S S Valores médios referentes ao potencial fisiológico de sementes de quatro cultivares precoces de soja, em função de épocas e locais de semeadura (Medina et al. ) S1: novembro; S2: março/abril E1: maio (semeadura S1) e agosto (semeadura S2); E2: novembro, após armazenamento em ambiente normal OUTROS FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO o ÉPOCA DE SEMEADURA o CONDIÇÕES CLIMÁTICAS DURANTE A PRODUÇÃO o FERTILIDADE DO SOLO E ADUBAÇÃO o MOMENTO DE COLHEITA o MÉTODO DE COLHEITA OUTROS FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO o ÉPOCA DE SEMEADURA o CONDIÇÕES CLIMÁTICAS DURANTE A PRODUÇÃO o FERTILIDADE DO SOLO E ADUBAÇÃO o MOMENTO DE COLHEITA o MÉTODO DE COLHEITA o INJÚRIAS MECÂNICAS 37

38 OUTROS FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO HORA DA COLHEITA GRAU DE UMIDADE(%) DANOS (%) Intactos GERMIN.(%) Danif. MANHÃ 14,6 1, TARDE 13,5 13, Influência do momento de colheita sobre a ocorrência de injúrias mecânicas em sementes de soja Fonte: Sedyiama et al. o ÉPOCA DE SEMEADURA o CONDIÇÕES CLIMÁTICAS DURANTE A PRODUÇÃO o FERTILIDADE DO SOLO E ADUBAÇÃO o MOMENTO DE COLHEITA o MÉTODO DE COLHEITA o INJÚRIAS MECÂNICAS o SECAGEM OUTROS FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO o ÉPOCA DE SEMEADURA o CONDIÇÕES CLIMÁTICAS DURANTE A PRODUÇÃO o FERTILIDADE DO SOLO E ADUBAÇÃO o MOMENTO DE COLHEITA o MÉTODO DE COLHEITA o INJÚRIAS MECÂNICAS o SECAGEM o BENEFICIAMENTO OUTROS FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO o ÉPOCA DE SEMEADURA o CONDIÇÕES CLIMÁTICAS DURANTE A PRODUÇÃO o FERTILIDADE DO SOLO E ADUBAÇÃO o MOMENTO DE COLHEITA o MÉTODO DE COLHEITA o INJÚRIAS MECÂNICAS o SECAGEM o BENEFICIAMENTO o CONDIÇÕES DE ARMAZENAMENTO o MICRORGANISMOS o INSETOS o TRATAMENTO QUÍMICO 38

39 INTENSIDADE DE RESPOSTA NÍVEIS DE VIGOR 1. ALTO POT. FISIOL : SEMENTES PRATICAMENTE NÃO RESPONDEM AO TRATAMENTO 2. POT. FISIOL. MÉDIO / ALTO: RESPOSTA É TANTO MAIOR QUANTO MENOR FOR O POT. FISIOL. DAS SEMENTES 3. POT. FISIOL MÉDIO / BAIXO: RESPOSTA DIMINUI À MEDIDA QUE DECRESCE O POT. FISIOL DAS SEMENTES 4. BAIXO POT. FISIOL: NÃO HÁ REAÇÃO AO TRATAMENTO ADAPTADO DE CARVALHO E NAKAGAWA OUTROS FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO o ÉPOCA DE SEMEADURA o CONDIÇÕES CLIMÁTICAS DURANTE A PRODUÇÃO o FERTILIDADE DO SOLO E ADUBAÇÃO o MOMENTO DE COLHEITA o MÉTODO DE COLHEITA o INJÚRIAS MECÂNICAS o SECAGEM o BENEFICIAMENTO o CONDIÇÕES DE ARMAZENAMENTO o MICRORGANISMOS o INSETOS o TRATAMENTO QUÍMICO o HERBICIDAS E DESSECANTES o EMBALAGEM Embalagem Parâmetro Armazenamento (meses) Polietileno Papel Pano Germinação (%) Teor de água (%) 8,5 8,6 9,1 9,8 12,0 11,2 Germinação (%) Teor de água (%) 8,5 16,7 15,1 Germinação (%) Teor de água (%) 8,5 16,0 17,6 Germinação e grau de umidade de sementes de milho armazenadas em diferentes tipos de embalagem a 30 o C e 85% de umidade relativa do ar (Baskin) 39