PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL FACULDADE DE BIOCIÊNCIAS. Aula - Hormônios Vegetais e Desenvolvimento

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1 Disciplina de Fisiologia Vegetal Curso de Ciências Biológicas Prof. Leandro Astarita e Antonio Goulart Aula - Hormônios Vegetais e Desenvolvimento Inicialmente tente visualizar uma planta de sua preferência. Agora tente imaginar as moléculas de água penetrando pelas raízes e movendo-se através do xilema até as folhas verdes, onde as pontes de hidrogênio são quebradas e as moléculas de água evaporam. Imagine as moléculas de CO2 difundindo através dos estômatos, chegando as células do parênquima em paliçada da folha e penetrando nos cloroplastos, onde no estroma são fixados mediante a energia produzida pela fotossíntese (NADPH e ATP). Visualize os compostos orgânicos (açúcares) saindo das folhas pelos tubos do floema, movendo-se até as regiões de intenso crescimento (drenos) da planta. Estas substâncias orgânicas são assimiladas nestes locais seletivamente, ocorrendo a produção de outras substâncias orgânicas que se movimentam através de toda a planta pelos vasos, ascendendo pelo xilema, e descendendo pelo floema. Não se conhece boa parte das reações químicas que ocorrem nas células vegetais, contudo, sua planta favorita imaginada anteriormente não se parece nada com um objeto estático. Ela é um ser vivo bem organizado, processando matéria e energia em seu ambiente, mantendo uma relativa baixa entropia. As plantas iniciam sua vida como uma célula única, crescendo e se desenvolvendo como um organismo multicelular. Células que se dividem geram novas células, estas mais do que simplesmente aumentar de tamanho, aumentam a sua complexidade. As células se modificam em diferentes formas e maneiras, produzindo variados tipos celulares na planta adulta. Este processo de especialização é chamado diferenciação, sendo que o crescimento e diferenciação em tecidos e órgãos são chamados de desenvolvimento. Outro termo bastante utilizado é morfogênese (do Grego Morphos = forma, Genesis = origem). Durante muitos anos os fisiologistas vegetais buscaram compreender quais eram os agentes sinalizadores esponsáveis pela organização celular das plantas (polaridade, morfogênese, germinação, senescência foliar, amadurecimento de frutos, etc ). Conheciam-se a existência de hormônios animais e seu efeito na regulação do metabolismo e desenvolvimento. Comparativamente, tentava-se identificar nas plantas o mesmo sistema de regulação através de hormônios. Hormônio: Substância orgânica sintetizada em uma parte da planta e translocada para outra parte, onde em muito baixa concentração causa uma resposta fisiológica. Devido a baixa concentração dos hormônios, foi somente em 1930 que se dispôs de técnicas para identificação e quantificação. O termo auxina (do Grego auxein= crescimento) foi primeiro utilizado por Went (1926, Holanda), para descrever um composto não identificado que causava a curvatura em coleoptiles de aveia em direção a luz. (Fig. 19.1, Taiz). Coleoptiles são extremamente sensíveis a luz, especialmente a luz azul. Se iluminado unidirecionalmente, o coleoptile curva-se na sua direção. O primeiro pesquisador a observar isto foi Darwin (1881), até que Went retomou estes experimentos testando outras variantes. Os estudos de Went demonstraram a existência de uma substância que se deslocava de um lado para outro no coleoptile. Em 1930 dois grupos de pesquisa determinaram a forma bioquímica da auxina (3-ácido indolacético). Devido a simplicidade da molácula da auxina, rapidamente a indústria sintetizou substâncias capazes de ter atividade auxínica (Figura 19.3, Taiz). O 3-ácido indolacético também conhecido pelas letras AIA, é a auxina mais abundante nos vegetais, sendo produzido principalmente a partir do aminoácido Triptofano, utilizando passos de transaminação e descarboxilação. As enzimas responsáveis pela síntese estão presentes em grandes quantidades e com maior atividade nos tecidos jovens como brotos, meristemas e folhas e frutos em crescimento. Contudo, não se conhece em que tecido especificamente ela é produzida. A mais de 50 anos se supunha que o AIA era transportado polarmente nas plantas, ocorrendo da copa para as raízes, independentemente da gravidade. Hormônios são potencialmente muito ativos em baixas concentrações. Como é que as plantas regulam a quantidade de AIA existente nos tecidos já que a planta apresenta um crescimento variável conforme as estações do ano e condições ambientais? Um dos mecanismos é o controle da produção, contudo, o mais eficiente conhecido é a inativação destas moléculas de forma temporária. Esta inativação é feita conjugando o AIA

2 principalmente a açúcares (AIA-glicose). Geralmente as células vegetais possuem enzimas capazes de quebrar esta conjugação, podendo o AIA ser transportado pelos vasos, principalmente em plantas jovens, onde os cotilédones apresentam quantidades de AIA conjugado capaz de manter o crescimento da parte aérea até que esta possa produzir o próprio AIA nas folhas. Um outro mecanismo para o controle dos níveis endógenos do AIA é a taxa de degradação (AIA oxidase). O AIA livre não é transportado pelos vasos do xilema nem do floema. Ele é transportado através das células do parênquima (Fig 19.9, Taiz). O movimento do AIA é lento, 1cm/hora no caule, contudo ela pode chegar a 10 cm/h em locais feridos da planta. No caule o movimento é basipetal (copa-raiz), contudo nas raízes o movimento é acropetal (raiz-copa). O movimento do AIA (de célula à célula) requer gasto de energia (ATP), pois é necessário bombear H + para fora da célula. Modelo quimiosmótico do transporte do AIA: O ph externo das células é mais baixo (ph 5) do que o do citoplasma (ph 7), isto faz com que o AIA no exterior das células seja protonado (AIA-H), permitindo que ele seja carriado para o interior das células. No interior das células, o AIA-H é desprotonado, sendo o H+ bombeado para o exterior da célula novamente, mantendo ácido o exterior. O AIA desprotonado permanece no interior da célula, sendo deslocado para a região basal, onde existem carriadores que exteriorizam o AIA. Efeito do AIA nas plantas Um dos principais efeitos é promover a extensibilidade das células vegetais. As células vegetais expandem devido a dois fatores: a) força de turgor interno da célula, b) extensão das fibras da parede celular com relação a pressão de turgor. A presença do AIA em maiores quantidades faz com que as células liberem mais prótons para o exterior. Esta extrusão causa a acidificação da região externa a membrana (parede celular) promovendo o afrouxamento das fibras de celulose da parede (Figura 19.18, Taiz). Esta extensibilidade mediada pela auxina é que resulta em crescimento diferenciais nas plantas. Fototropismo: A iluminação unidirecional de coleoptiles de aveia não causa a destruição do AIA, mas uma redistribuição desigual do AIA ao longo da planta. Então, em resposta a luz, o AIA seria transportado lateralmente do lado iluminado para o sombreado. O aumento da concentração do AIA no lado sombreado promove o maior crescimento pelo alongamento celular do que pelo aumento do número de células. Em 1997 (Huala et al.) descobriram uma flavoproteína (NPH) de 116 Kda associada a membrana celular responsável pera percepção da luz, inativando o AIA por fosforilação. Gravitropismo: Se plantas de aveia são crescidas na horizontal, ocorre uma reorientação da planta para posição vertical. Isto ocorre pela distribuição desigual do AIA na região abaixo do ápice. Neste caso, uma grande quantidade de AIA é difundido para a região inferior do caule, promovendo o alongamento das células desta região. Para que esta distribuição do AIA seja desigual, é necessário que a planta perceba a gravidade. Como ela faz isso? A única forma de detectar a gravidade é pela orientação de corpos em um sistema sensível a sedimentação. O candidato para ser o sensor de gravidade nos tecidos são os amiloplastos, presentes nas células vegetais. Estes amiloplastos apresentariam densidade maior que a do citoplasma celular, sendo sedimentado no fundo da célula. Amiloplastos com função de detectar a gravidade são chamados de estatólitos, localizados em células especializadas formando uma faixa ao redor do cilindro vascular do caule e da raiz. (Fig , Taiz). Nas raízes, o local que primeiramente detecta a gravidade é a coifa. A retirada da coifa faz a raiz perder temporariamente o geotropismo (Fig , Taiz). As células da raiz são inibidas pela alta concentração do AIA, enquanto que as células do caule são ativadas para o crescimento com o AIA (Fig 15, Ferri). As auxinas vem sendo usadas comercialmente na agricultura por mais de 50 anos. Inicialmente o AIA era utilizado somente para o enraizamento de estacas, depois para promover a floração em amendoim, evitar a abscisão de frutos e promover a partenocarpia de frutos. Estacas: Embora o crescimento da raiz principal (primária) seja inibida pela presença do AIA, as raízes secundárias (ou laterais), são estimuladas a crescer por altas doses do AIA. Quando uma folha ou caule é colocada na água, raízes adventícias são geralmente formadas na região onde foi feito o

3 corte. As raízes são formadas devido ao acúmulo do AIA nesta região, devido ao transporte polar das auxinas. Este efeito pode ser incrementado colocando a estaca em uma solução contendo auxina. Produtos comerciais utilizam o AIA misturado com talco. Dominância apical Na maior parte das plantas a gema apical inibe o desenvolvimento de ramos laterais. A remoção deste ápice promove o surgimento de um grande número de ramos laterais (Skoog, 1934). Mais do que simplesmente o efeito do AIA, o controle do desenvolvimento das gemas depende do balanço endógeno auxina/citocinina. Efeito Herbicida Em 1940, em New York, descobriu-se ue a substância sintética denominada de 2,4-D agia como uma auxina estremamente forte nas plantas. Seu efeito promovia a morte das plantas, indicando o seu uso como herbicida. Esta substância apresenta efeito seletivo, causando a morte das dicotiledôneas e tendo pouco efeito nas monocotiledôneas. Comercialmente este produto chamou-se Picloram (1982), contudo o governo americano proibiu o seu uso nos USA devido a contaminação com dioxinas, substância altamente cancerígina. A partir desta proibição, foi produzido o Dicamba, nome comercial, livre das dioxinas e tão seletivo quanto o 2,4-D. Citocininas Na busca de substâncias que causavam alterações no desenvolvimento das plantas, descobriuse as citocininas que agem no processo de senescência foliar, mobilização de nutrientes, floração, dormência de gemas, etc... Desde 1892 Weisner tinha proposto que existiria outros hormônios além do AIA agindo nas plantas. Desde 1940, sabia-se que o AIA promovia o alongamento celular, mas não a divisão. Em 1954, Miller conseguiu isolar esta substância que promovia a divisão celular a partir do DNA autoclavado de esperma de arenque. Esta substância era muito ativa na divisão celular de tecidos isolados de plantas. Esta substância foi denominada de cinetina. As citocininas existentes nas plantas são sintetizadas principalmente nas partes em crescimento da raiz, indo acumular nas folhas, frutos e sementes, transportada peo xilema. Estudos utilizando cultura de tecidos mostraram que existe um balanço entre as concentrações do AIA e citocininas, onde medulas de plantas de fumo foram cultivadas in vitro (Fig. 13, Ferri). As citocininas inibem a formação de raízes em estaca quando aplicadas ao corte, contudo, promovem a formação de raízes quando aplicada nas folhas da estaca. Citocinina retarda a senescência foliar, diminuindo a velocidade de degradação das proteínas, perda da clorofila, RNA e cloroplastos. A citocinina reverte temporariamente a condição de dreno da folha para fonte. Giberelinas De todos os hormônios vegetais descobertos até hoje, as giberelinas são os que apresentam o efeito mais espetaculares nas plantas. As giberelinas foram escobertas pelos japoneses em 1926, quando tentavam entender qual a causa do crescimento excesivo de algumas plantas de arroz que causava a diminuição da produção. O fungo Giberella fujicuroi atacava as plantas e as fazia crescer. Em 1935, Yabuta purificou os extratos do fungo e denominou de giberelinas as substâncias que tinham efeito nas plantas. Este trabalho não teve repercussão pois o artigo foi escrito em japonês e veio a segunda guerra mundial. Em 1955, britânicoscomeçaram a usar a giberelina para aumentar o tamanho das plantas anãs. O efeito espantoso é o alongamento dos entrenós das plantas, aumentando os tamanhos. (Fig. 20.3, Taiz). Nas plantas, o ácido giberélico (GA3) é sintetizado nas mesmas regiões de síntese da auxina (ápice do caule, folhas em crescimento, sementes e embriões). Atualmente, um dos principais usos do GA3 é a indução de flores, substituindo condições ambientais indutivas como plantas que necessitam de dias longos ou as que requerem um período de frio. As plantas de dias longo acumulam giberelinas no ápice do caule, promovendo o crescimento da planta e a indução da floração. Plantas de Kalanchoe que demora mais de um ano para florescer, com GA3 floresce em 3 meses. Sequoia que leva 70 anos para produzir sementes, com GA3 floresce em apenas 1 ano. A pesar de muito útil este efeito em apressar a floração, não é geral para todas as plantas.

4 Vernalização - plantas ou sementes que necessitam de um período de frio para germinar ou florescer. Ramos de pessegueiro, macieira e cerejeira, apresentam ramos com gemas dormentes, necessitando um período de frio para que esta dormência seja quebrada e floresçam. A aplicação exógena do GA3 promove a quebra da dormência, iniciando o processo da floração, o mesmo observado em sementes de clima de plantas de clima temperado. Em cítricos a pulverização das árvores com o GA3 impede a queda dos frutos, prolongando o período de produção. O GA3 promove o crescimento aumentando a extensibilidade das células do caule (ex: cana-deaçúcar), especificamente dos entrenós. Nas gemas o GA3 age de forma antagonista ao efeito do hormônio ácido abscísico, que causa a inibição do crescimento e floração. As giberelinas são transportadas na planta pelo floema e simplasto celular. Etileno CH2=CH2 No século passado, nas plantações de mangas das Filipinas e nas de abacaxi em Porto Rico, eram acendidas fogueiras porque os habitantes acreditavam que a fumaça ajudava a iniciar e sincronizar a floração destas plantas. Em 1864 (Girardin) mostrou que o gás usado na iluminação pública das cidades causava a queda das folhas das árvores, na época se pensou que o fato era devido ao efeito da poluição. Em 1901, um estudante Russo (Univ. de Leningrado) chamado Dimitry verificou que as plantas que cresciam no dentro do laboratório apresentavam anomalias quanto a forma, e que essas anomalias eram revertidas quando estas plantas eram levadas para o ar livre. Identificando que o etileno e o acetileno usado na iluminação causava estas alterações. Em 1910 (Cousis) relatou que emanações de laranjas estocadas causava o amadurecimento de bananas. Em 1934, foi finalmente comprovado quimicamente que plantas produzem o etileno, dando o nome de hormônio vegetal. O etileno é produzido em quase todas as células da planta adulta, sendo removido dos tecidos por difusão na atmosfera que cerca a planta. Somente em 1979 foi descoberto a rota metabólica para a síntese doetileno nas plantas. O amadurecimento dos frutos esta diretamente associado com o aumento dos níveis de etileno. Estrese, frio e ferimentos mecânico também promovem o aumento dos níveis de etileno nos tecidos da planta. Desde a antiguidade se conhecia que frutos de figo amadureciam mais rapidamente quando re realizava pequenos cortes na casca. Da mesma forma, frutas como maçã, tomate, banana, batata, cenoura, mamão, aceleram o seu amadurecimento quando injuriadas. Atualmente se utiliza câmaras especiais para o amadurecimento de frutos usando etileno. Quando se deseja retardar o amadurecimento aumenta-se os níveis de CO2 nas câmaras e diminuise o de O2, bloqueando a rota de síntese do etileno nos tecidos. O etileno quebra a dormência de gemas de lenhosas, apresentando efeito no crescimento de caules de dicotiledôneas (inibe o alongamento) e monocotiledônes (promove). Frutos: Em alguns tipos de frutos, ocorre um aumento dos níveis de etileno após a colheita. Este aumento acelera o amadurecimento. Para minimizar este efeito, os frutos geralmente são colhidos um pouco antes do amadurecimento completo na árvore (ex: mamão, maçã, pêra, abacate, tomate, manga, etc)... Na agricultura, existe um produto chamado de etrel ou etefon (1960), utilizado na pulverização de macieiras, tomateiros e cítricos. Estes produtos liberam grandes quantidades de etileno quando absorvidos pelas folhas, promovendo nestas plantas o amadurecimento dos frutos mais rapidamente. Em bromélias é comum o uso para promover a floração. Nas plantas um dos grandes efeitos do etileno é na abscisão foliar quando o órgão esta velho. A diminuição da quantidade do AIA produzido na folha promove o aumento dos níveis do etileno no tecido. O aumento dos níveis de etileno promove a formação da camada de abscisão, e a perda da folha. Ácido Abscisico (ABA) Durante muitos anos os pesquisadores acreditavam existir uma substância que causava a dormência de gemas e sementes, mas foi somente em 1963 que se isolou uma substância denominada de abscisina ou dormina, que causava a senescência foliar. O composto foi renomeado de ácido abscisico, pois foi observado, errôneamente, que causava a abscisão foliar. Como já foi mencionado anteriormente, é o etileno que causa a queda das folhas, sendo que o ABA induz o aumento do etileno nos tecidos. O ABA é sintetisado em todas as células da planta que possuam clorolastos ou amiloplastos. O ABA é transportado tanto pelo xilema quanto pelo floema. O efeito nas gemas de lenhosas:

5 A dormência das gemas é uma estratégia eficiente para prevenir baixas temperaturas do inverno, protegendo os meristemas com escamas que temporariamente param de crescer. Após determinado tempo a baixas temperaturas, o ABA acumulado nas gemas diminui, liberando para a volta do crescimento e floração. O ABA também é conhecido como hormônio do estresse, onde age como sinalizador na planta, fechando os estômatos quando ocorre a falta de água ou em condições de alta salinidade nas raízes (Fig. 23.3, Taiz). Sementes dormentes apresentam níveis elevados de ABA nos tecidos, inibindo a germinação precoce da semente. Este estado de dormência é extremamente importante na agricultura, possibilitando guardar sementes de um ano para outro sem perder a viabilidade. Algumas sementes chegam a manter a viabilidade por milhares de anos, como sementes de aveia com mais de anos, que foram encontradas na tumba de Tutan Khamom. Somente no final do século XVIII, na Europa, que se iniciaram coleções de sementes, organizando bancos de sementes para guardar o germoplasma. Museu de História Natural de Londres e Paris iniciaram grandes coleções com exemplares das principais culturas do mundo. Pergunta: Por que certas sementes podem durar mais de 600 anos enquanto outras apenas alguns meses? Ainda não se conhece a razão destas diferenças. Tropismo e Nastismo Tropismo: É um movimento que ocorre em resposta a um estímulo direcional externo, envolvendo crescimento desigual de lados opostos de um órgão. EX: fototropismo, geotropismo. Tigmotropismo - Partes da planta que respondem ao contato de um objeto sólido por crescimento diferencial. Ex: gavinhas. As gavinhas enrolam-se em volta de um suporte em apenas alguns minutos. As células que tocam o objeto reduzem o crescimento enquanto que as células do lado oposto crescem mais rapidamente (assimetria na distribuição do AIA). Hidrotropismo - crescimento em direção a água Quimiotropismo - crescimento em direção de substâncias químicas Nastismo A resposta de crescimento não depende da direção nem da origem do estímulo, tais como temperatura e luminosidade. Os movimentos estão ligados a fatores internos como ritimo biológico, apresentando certa periodicidade. Respostas násticas - As respostas ocorrem de duas maneiras a) crescimento - taxas diferentes de crescimento em lados opostos do órgão b) variação - variações na turgescência de certas células Crescimento - Certas plantas apresentam as folhas quase dobradas ou enroladas para dentro (hiponastia) devido ao crescimento maior da lâmina superior do que a inferior. Esta variação do crescimento é mediado pelos níveis endógenos do AIA na folha. Outro exemplo é o fechamento das flores conforme a variação da temperatura ambiental. Em Tulipa e onze-horas, altas temperaturas faz com que as flores abram, enquanto que em baixas ocorre o fechamento das flores. Outras espécies apresentam efeito contrário, em Victoria amazonica abrem a noite e fecham durante o dia, sendo este comportamento mediado pela luz. Variação - Existem certas células especializadas que alteram o seu volume rapidamente, podendo reverter a saída e entrada de água várias vezes ao dia. Movimentos deste tipo ocorrem nas células guarda, fechando o ostíolo e diminuindo a transpiração da planta. Folhas e folíolos movimentam-se devido a presença dos púlvinos, que são especializações localizadas na junção da lâmina foliar e o pecíolo. A entrada e saída de água dos púlvinos ocorre devido ao movimento de K+ das células acarretando entrada ou saída de água das células. Em Mimosa pudica, o simples toque em um dos folíolos, ou aquecimento, frio, agitação, faz com que as folhas rapidamente se fechem, sendo o estímulo transferido para toda a planta. A vantagem evolutiva desta planta não é clara, mas talvez impeça que insetos comam as folhas. Sinais elétricos e químicos viajando (2 cm/s) através do xilema e do floema podem representar o sistema para que toda a planta perceba o sinal. Em outras plantas, o púlvino serve como um verdadeiro motor para que as folhas possam acompanhar o sol, mantendo um ângulo de Ex. Algodoeiro, soja, feijão, alfafa, malva, etc (Fig , Salisbury). As folhas acompanham o sol desde o nascer até o entardecer. Quando o sol se põe, as lâminas foliares ficam em posição de descanso (90 0 com o pecíolo), contudo, antes de amanhecer, elas

6 retornam a inclinação na exata posição que o sol surgiu no dia anterior. Elas, mesmo em condição de escuro, continuam a retornar a posição do nascer do sol a cada 24 horas. As folhas se movimentam 15 0 por hora, acompanhando o sol. Em dias muito nublados, chegam a 60 0 em uma hora para corrigir a inclinação quando o sol reaparece atrás das nuvens. Estes movimentos ocorrem em resposta a luz. As nervuras são distribuídas por toda a lâmina foliar, tendo uma junção próximo ao púlvino. Existem células capazes de perceber a direção da luz solar, enviando mensagem para que o púlvino corrija a orientação da folha. Até agora não se sabe como isto ocorre. Nas gramíneas existem células especializadas chamadas de buliformes que fecham a folha quando a planta esta sob falta de água. Estas células, assim como os púlvinos, alteram seu volume pela entrada e saída de água. (Fig.411, Salisbury). Referência Bibliográficas Todas as figuras referenciadas neste texto estão nos livros da Biblioteca da PUC, ou podem ser encontradas diretamente no material deixado no Xerox do Pd 12. Você pode encontrar os livros citados acessando o catálogo on line da Biblioteca. Abraços... Leandro