Aula 2A: Embriogênese e germinação de sementes

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO PÓLO AVANÇADO DE XERÉM GRADUAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA CURSO FISIOLOGIA VEGETAL(XBT355) TURMA 2014/2 Aula 2A: Embriogênese e germinação de sementes Prof. Dr. Silas Pessini Rodrigues Rio de Janeiro, 19 de agosto de 2014

2 Plantas são organismo sésseis, autotróficos e possuem padrões de crescimento flexíveis

3 Fases do desenvolvimento vegetal 1) Embriogênese 2) Fase vegetativa 3) Fase reprodutiva Huijser, P. & Schmid, M. The control of developmental phase transitions in plants. Development 138(19): , 2011

4 Conteúdo da aula 1) Fases da embriogênese 2) Desenvolvimento da polaridade (apical-basal vs. radial) 3) Principais hormônios e genes envolvidos 4) Estabelecimento dos meristemas e manutencão do crescimento indeterminado 5) Germinação de sementes 6) Principais estruturas iniciais da planta

5 Fecundação da oosfera da flor: a etapa que antecede a embriogênese

6 Maturação de sementes: três grandes etapas 1) Fase de divisão celular e maturação de tecidos Divisão das células do zigoto Diferenciação de tecidos Zigoto passa por embriogênese Proliferação do endosperma 2) Acúmulo de reservas Parada na divisão celular Acúmulo de substâncias de reserva (amido, proteínas e lipídeos) 3) Preparação para períodos longos de espera Tolerância à dissecação Ortodoxas tolerantes à dissercação Recalcitrantes não tolerantes à perda de água Sementes quiecentes de metabolismo muito baixo, uma consequência da desidratação Sementes dormentes precisam de um tratamento ou sinal para germinarem.

7 A embriogênese tem cinco fases 1) 2) 3) 4) 5) Adaptado: Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5 th Ed. and Goodrich, J. Plant development: Medea's maternal instinct. Current Biology, R480 R484, 1998.

8 Os órgãos da planta se originam de regiões específicas no embrião Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5 th Ed. Fig pagina 458

9 Tipos de polaridade Apical-basal Radial

10 Teorias que explicam o estabelecimento do padrão de desenvolvimento 1)Dependente da linhagem celular 2)Dependente da posição celular mais aceita e fácil de ser provada Morfógeno: moléculas cuja síntese, transporte e reciclagem geram um gradiente de concetração; desencadeiam respostas dose-dependentes Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5 th Ed.

11 Auxina é o morfógeno mais importante em plantas IAA: ácido indol-3-acético Auxina natural mais abundante e ativa + ácido trans-cinâmico Flavonóide que reduz o transporte de auxina controle Adaptado: Liu C, Xu Z, Chua NH, Auxin Polar Transport Is Essential for the Establishment of Bilateral Symmetry during Early Plant Embryogenesis. The Plant Cell, 5 (6): , 1993.

12 De onde vem a auxina da célula? Adaptado: Quittenden, L.J. et al., Auxin biosynthesis in pea: Characterization of the tryptamine pathway. Plant Physiol. 151: , 2009.

13 Transporte de auxina: Modelo quimio-osmótico Citoplasma tem ph ~7,0 IAA = IAA - Parede celular tem ph ~5,0 IAA = IAAH Forma protonada cruza a membrana plasmática, enquanto que a forma desprotonada fica retida no citoplasma Adaptado: Robert, H.S., and Friml, J. Auxin and other signals on the move in plants. Nat. Chem. Biol. 5: , 2009.

14 Transporte direcional de auxina utiliza proteínas carreadoras ABCB AUX1/LAX: auxiliam na entrada de auxina protonada na célula ABCB: distribuidos em de forma mais homogênea na célula Proteínas PIN: transporte direcional de IAA Adaptado: Robert, H.S., and Friml, J. Auxin and other signals on the move in plants. Nat. Chem. Biol. 5: , 2009.

15 Direção do movimento de auxina no embrião conferida por proteínas PIN Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5 th Ed. Fig 16.8, página: 462.

16 Genes essenciais para o estabelecimento do padrão apical-basal Adaptado: Mayer, U. et al., Mutations affecting body organization in the Arabidopsis embryo 353, , Nature, A) Arabidopsis selvagem B) GURKE: codifica Acetil-CoA carboxilase síntese de ácidos graxos de cadeia longa e esfingolipideos mutante falta cotiledone e meristema apical C) FACKEL: codifica uma esterol-c4-redutase sintese de esterois mutante tem pouco desenvolvimento do hipocotilo D) MONOPTERO: codifica fatores de resposta a aux (ARFs=auxin response factors) mutante falta raiz E) GNOM: codifica fator de troca de guanidina nucleotideo afeta transporte de vesiculas que carregam proteínas PIN falta parte superior e inferior do embrião.

17 Genes essenciais para o estabelecimento do padrão radial A) SCARECROW (SCR) Fator de transcrição B) SHORT-ROOT (SHR) Fator de transcrição ---SCR e SHR interagem pra controlar desenvolvimento do córtex e endoderme. C) WOODEN LED (WOL) codifica receptores de citocinas fundamental para formar xilema e floema sinônimo (CYTOCININ RESPONSE 1) Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5 th Ed. Fig 16.13, página: 466.

18 Fatores de transcição gênica se movimentam para células diferentes ao longo do desenvolvimento INDUÇÃO Tecidos adjacentes desencadeiam processos de desenvolvimento. INDUTORES 1) Hormonios e 2) FT MOVIMENTAÇÃO 1) passivamente, 2) receptores superficiais (Ex.: PIN) 3) plasmodesmas (macromoleculas (TF ou mrna) Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5 th Ed. Fig 16.14, página: 467.

19 Plasmodesmas controlam o tráfego de moléculas entre as células Kim, I, Subdomains for transport via plasmodesmata corresponding to the apical-basal axis are established during Arabidopsis embryogenesis. PNAS, 102(33): , e adaptado: Taiz, L. & Zeiger, E. (2006). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 3rd Ed. ISBN: X e

20 Desde a embriogênese, algumas células matêm o caráter INDETERMINADO Meristemas que vão manter o desenvolvimento também na fase vegetativa

21 Fatores de transcrição fundamentais para o estabelecimento do meristema da raiz MP e NPH4 >> induzem PLT >> que induz SCR e SHR >> a combinação de PLT, SCR e SHR >> induzem a formação do centro quiecente e mais tarde o meristema da raiz Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5 th Ed. Fig 16.19, página: 472.

22 O hormônio citocina tem papel oposto ao da auxina no meristema da raiz Exressão do gene TSC, que responde á presença de citocina Verde = presença de citocina b e c: fases sucessivas do desenvolvimento globular Expressão dos genes ARR7 (d) e DR5 (f), que respondem à presença de auxina Verde = presença de auxina Auxina induz e citocina inibe o desenvolvimento da raiz Müller, B. & Sheen, J. Cytokinin and auxin interaction in root stem-cell specification during early embryogenesis. 453(7198):1094-7, 2008.

23 Os Fatores de transcrição WUS (WUSHEL) e CLV (CLAVATA) são fundamentais para o estabelecimento e manutenção do meristema apical do caule CRN Divisão celular Adaptado a partir de: Taiz, L. & Zeiger, E. (2004). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 3 th Ed. Fig 16.26, página: 478. Bleckmann A., et al., Stem cell signaling in Arabidopsis requires CRN to localize CLV2 to the plasma membrane. Plant Physiol.,166-76, 2010.

24 Os meristemas desenvolvidos na embriogênese acompanharão a planta durante todo o seu ciclo de vida Meristema do ápice caulinar Meristema do ápice radicular

25 Germinação de sementes

26 Quais são as partes de uma semente madura?

27 Quais são as partes de uma semente madura? Endosperma: endosperma de amido e camada de aleurona (ocorre em gramíneas, Ex.: arroz, trigo, milho, etc.) Cotilédones: primeiras folhas da plântula, de natureza embrionária

28 Germinação: dependência de fatores internos e externos Fatores internos Hormônios vegetais (assunto das próximas aulas) Fatores extrenos Água Oxigênio Temperatura Luz

29 Tipos de dormência de sementes 1) Induzidas pela casca da semente Não apenas pela casca, mas também pelo endocarpo, pericarpo ou órgãos florais a casca previne a absorção de água, entrada de O 2, emersão da radícula previne a perda de inibidores da germinação produz inibidores 2) Induzida pelo embrião Muitas vezes causada pelo cotilédone Relacionada com a síntese de hormônio ABA

30 Quebra de dormência de sementes Quebra de barreiras Abrasão (partículas do solo) Decomposição da casca (microorganismos, enzimas digestivas) Rachaduras na casca (ex.: fogo) Alteração do estado físico da semente (hidratação) Destruição ou diluição de inibidores da germinação + Luz, temperatura e água Produção de promotores do crescimento

31 Etapas da germinação Etapas PRÉ-GERMINAÇÃO GERMINAÇÃO PÓS-GERMINAÇÃO Eventos (a) Re-hidratação embebição em água. (b) Síntese estimulada de RNA e proteínas. (c) Ativação metabólica aumento respiratório. (d) Hidrólise (digestão) enzimática de reservas. (e) Alterações na ultraestrutura celular. (f) Indução da divisão e do crescimento celular. (a) Ruptura da casca da semente. (b) Emergência da plântula, normalmente a radícula aparece primeiro. (a) Crescimento controlado da raíz e do caule. (b) Transporte controlado de compostos energéticos á partir das áreas de armazenamento para áreas em crescimento. (c) Envelhecimento e morte dos tecidos de armazenamento.

32 Etapas que levam à divisão celular Mitocôndria reconstituída Respiração Inicialmente anaeróbica, depois aeróbica Açúcares solúveis ATP RNA ativado polissomos Síntese de proteínas (0,5 h) Enzimas (proteínas) Síntese de DNA (45h) Mitose (70h)

33 Viabilidade de sementes Uma semente é considerada viável quando o desenvolvimento do embrião e o acúmulo de reservas energéticas ocorreram adequadamente e foram mantidos até o início da germinação. A semente viável é aquela que germina quando encontra as condições mínnimas necessárias.

34 Testes de viabilidade de sementes Teste com cloreto de tetrazólio Desidrogenases respiratórias ativas converterão o tetrazólio em um subproduto de cor vermelha indica que a semente está fisiologicamente viável Teste de germinação Um determinado lote de sementes é colocado para germinar em condições ideais conta-se o número de sementes germinadas e determina-se o percentual de sementes viáveis

35 Meristemas: grupos de células que mantém a capacidade proliferativa Tipos de meristemas: 1) Meristema apical: no caule e raiz 2) Meristema intercalar 3) Meristema marginal 4) Meristemóides pequenos conjuntos de células originais Ex.: Tricomas e estômatos