Introdução à Fisiologia Vegetal

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Sílvia Stachinski Figueira
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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO PÓLO AVANÇADO DE XERÉM GRADUAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA CURSO FISIOLOGIA VEGETAL(XBT355) TURMA 2014/1 Introdução à Fisiologia Vegetal Prof. Dr. Silas Pessini Rodrigues Rio de Janeiro, 04 de fevereiro de 2014

2 O que é Fisiologia Vegetal? Fitoquímica Interações ambientais FISIOLOGIA VEGETAL Interações celulares Morfologia vegetal Biologia celular e molecular

3 Absorção de água: retomada do metabolismo celular Anadenanthera colubrina Rev. biol. trop vol.61 no.3 San José sep. 2013

4 Luz: gatilho para ativar vias de sinalização em algumas sementes Efeito da luz na germinação de sementes de alface

5 Temperatura afeta a viabiliadade de sementes Incubadas de 4-10 o C transferiadas 25 o C

6 Hormônios vegetais podem induzir a germinação Giberelinas induzem a germinação em algumas espécies Fusca violacea

A sinalização da auxina atua ativando outros repressores da germinação (ABA).

7 Hormônios vegetais podem retardar a germinação Normal [Auxina] [Auxina] Auxina inibe a germinação em Arabidopsis. A sinalização da auxina atua ativando outros repressores da germinação (ABA). Arabidopsis precisa do frio para germinar -Auxina Normal +Auxina Liu, et al., Proc Natl Acad Sci U S A Sep 17;110(38):

8 O tratamento de frio ajusta o início do desenvolvimento de algumas espécies, de acordo com as condições ambientais Inverno Primavera

9 O desenvolvimento vegetal tem início durante a germinação

10 Controle do desenvolvimento vegetal:sinalização entre células e tecidos Fatores de transcrição (Ex.: SHORT ROOT) e hormônios Tráfego: (1) passivo, (2) receptores superficiais e/ou (3) plasmodesmas Embrião Radícula Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5 th Ed. Fig 16.14, página: 467.

11 Plasmodesmas controlam o tráfego de moléculas entre células Adaptado: Taiz, L. & Zeiger, E. (2006). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 3rd Ed. ISBN: X.

12 Os hormônios atuam também nas outras fases do desenvolvimento vegetal Santner et al., Nature Chemical Biology 5, (2009)

13 Giberelinas estimulam o alongamento da parte aérea do arroz [Giberelina]

14 Os hormônios atuam em conjunto modulando o desenvolvimento da planta [citocina] Auxina: induz raiz Citocina: parte aérea [Auxina]

15 Os efeitos das citocinas são explorados na relação planta versus agrobactéria T-DNA: Gene ipt, síntese de citocinas 2 genes para a síntese de auxinas Gene para síntese de opinas

16 E os efeitos da luz no desenvolvimento?

17 Uma vez que planta cresce, qual é o papel dela no fluxo de energia nos ecossistemas?

18 Esquema geral do metabolismo em plantas Síntese de lipídeos Skillman et al., Photosynthetic Productivity: Can Plants do Better? ISBN , Published: October 10, 2011 under CC BY 3.0 license Disponível online:

19 Os compostos orgânicos são distribuídos na planta através do floema, respeitando a relação fonte-dreno

20 As plantas absorvem, transportam e controlam a perda de água

21 As raízes também absorvem nutrientes minerais do solo

22 Desbalanço de nutrientes podem causar sintomas diversos em plantas Nutrientes em excesso Doença fúngica seca Deficiência de Mg Deficiência de N Deficiência de K Deficiência de P Folha normal Sintomas nutricionais em folhas de milho

23 Arabidopsis thaliana: planta modelo para estudo de biologia vegetal

24 Por que estudar fisiologia vegetal?

População Global CO 2 Atmosférico 0 500 1000 1500 2000 1800 1850 1900 1950 2000 O maior desafio

25 População Global CO 2 Atmosférico O maior desafio atual: Como alimentar mais pessoas sem danificar ainda mais o planeta? Photo courtesy Earth Observatory NASA

26 Qual é o papel a fisiologia vegetal na resolução dos problemas globais? Photo credits: Xochiquetzal Fonseca/CIMMYT and IRRI

Melhoramento genético na agricultura Passado distante Domesticação de plantas e animais de interesse para a alimentação Passado recente Sementes híbridas A (primeira) revolução verde Avanços em

27 Melhoramento genético na agricultura Passado distante Domesticação de plantas e animais de interesse para a alimentação Passado recente Sementes híbridas A (primeira) revolução verde Avanços em tecnologias de melhorameto Agora e no futuro Melhoramento para melhor saúde humana Melhoramento para tolerância a seca Inovação agrícola na África A segunda revolução verde Não se melhora uma planta sem conhecer seu funcionamento!

subsequentes Variação natural entre a população Image courtesy of

28 As modificações genéticas surgiram como um consequência do cultivo A representação de sementes de plantas boas aumentava em gerações subsequentes Variação natural entre a população Image courtesy of University of California Museum of Paleontology, Understanding Evolution -

7.000 anos atrás 500 anos atrás Photo Robert S.

29 O tamanho da espiga aumentou durante a domesticação do milho Espigas de milho provenientes de um campo arqueológico no vale do Tehuacan, Mexico anos atrás 500 anos atrás Photo Robert S. Peabody Museum of Archaeology, Phillips Academy, Andover, Massachusetts. All Rights Reserved.

30 Melhoramento vegetal científico: invesão de John Garton Avanços na propagação e melhoramento foram necessários para que a produção de alimento fosse compatível com o crescimento da população John Garton Capa do catálogo de podutos Photo credits: Gartons Plant Breeders

31 O milho híbrido levou à um aumento dramático na produção e milho A B x A A x B B Vigor do híbrido: O resultado do cruzamento entre parentes geneticamente diferente são frequentemente indivíduos com crescimento aumentado. Shull, G.H. (1909) A pure line method in corn breeding. Am. Breed. Assoc. Rep. 5, by permission of Oxford University Press.

32 O vigor do híbrido pode ser observado também no corpo vegetativo da planta Chen, Z.J. Nature Reviews Genetics 14, , (2013)

33 O milho híbrido logo substituiu o cultivar anterior A B x A A x B B Os fazendeiros tiveram que comprar sementes ao final de cada colheita, então o aumento na produção também resultou em aumento em custos Percentual de área de milho h;ibrido plantada Shull, G.H. (1909) A pure line method in corn breeding. Am. Breed. Assoc. Rep. 5, by permission of Oxford University Press; Economic Research Service / USDA

de variedades de trigo mais resistentes ao tombamento, e semi-anãs.

34 Norman Borlaug foi um melhorista vegetal, pai da Revolução Verde Uma das contribuições mais significantes do século XX foi o desenvolvimento de variedades de trigo mais resistentes ao tombamento, e semi-anãs. Melhorista vegetal e vencedor do Prêmio Nobel da Paz Norman Borlaug

35 Plantas da revolução verde causaram um aumento dranático na produção Com a introdução das variedades resistentes a doenças e semi-anãs os países passaram da posição de importadores para exportadores de grãos Source: FAO via Brian0918

O aumento na produção de alimento tem acompanhado o aumento do crescimento populacional População

A area plantada não tem aumentado tão rápido quanto a produção agrícola, porque a produtividade

na redução dos efeitos climáticos e reduz a perda da biodiversidade Burney, J.A., Davis, S.J., and Lobell, D.

36 O aumento na produção de alimento tem acompanhado o aumento do crescimento populacional População (bilhões) 100% aumento Produção agrícola (giga-ton) >100% aumento Area plantada (hectare) ~20% aumento A area plantada não tem aumentado tão rápido quanto a produção agrícola, porque a produtividade (alimento por hectare) aumentou Aumentar a produtividade agrícola sem aumento na área plantada auxilia na redução dos efeitos climáticos e reduz a perda da biodiversidade Burney, J.A., Davis, S.J., and Lobell, D.B. (2010). Greenhouse gas mitigation by agricultural intensification. Proc. Natl. Acad. Sci. 107:

37 Avanços em genética contribuem para o melhoramento vegetal Seleção assitida por marcador Estudos do genoma completo Tecnologia do DNA recombinante e transgenia = engenharia genética Photo credit: IRRI

genoma Photo credit LemnaTec; Anderson, L.K., Lai, A., Stack, S.M., Rizzon, C. and Gaut, B.S. (2006).

38 Seleção assistida por marcador Seleção de indivíduos por DNA marcadores é mais rápido do que seleção por fenótipo Fenótipo: expressão física de uma características Genótipo: sequência de todos os genes do genoma Photo credit LemnaTec; Anderson, L.K., Lai, A., Stack, S.M., Rizzon, C. and Gaut, B.S. (2006). Uneven distribution of expressed sequence tag loci on maize pachytene chromosomes. Genome Research. 16:

39 Maize Genome sequence data are available for many important plants

Este método é muito mais rápido que o melhoramento clássico Tomateiro

40 Engenharia genética é um outro método de melhoramento A tecnologia do DNA recombinante permite que um único gene seja introduzido no genoma. Este método é muito mais rápido que o melhoramento clássico Tomateiro elite Tomateiro pobre, mas resistente a doença Tomateiro elite, resistente a doença

42 Cronograma Aula Data Horário (h) Tópico 1 Terça-feira 04-Fev Introdução à 'Fisiologia Vegetal'; apresentação do cronograma; explicação das avaliações 2 Terça-feira 11-Fev Embriogênese e germinação de sementes Laboratório de aula prática 3 Terça-feira 18-Fev Fitormônios I Laboratório de aula prática 4 Terça-feira 25-Fev Fitormônios II Laboratório de aula prática Terça-feira 4-Mar Feriado de carnaval, não havera aula. 5 Terça-feira 11-Mar Efeitos da luz no desenvolvimento vegetal Laboratório de aula prática 6 Terça-feira 18-Mar Relações hídricas em plantas Laboratório de aula prática 7 Terça-feira 25-Mar h: Prova 1 (3,0 horas de prova) 8 Terça-feira 01-Abr Fotossíntese I; Montagem de grupo e definição dos temas para os os seminários Laboratório de aula prática 9 Terça-feira 08-Abr Fotossíntese II Laboratório de aula prática 10 Terça-feira 15-Abr Nutrição mineral I Laboratório de aula prática 11 Terça-feira 22-Abr Nutrição mineral II Laboratório de aula prática 12 Terça-feira 29-Abr Respostas de plantas a estresse 13 Terça-feira 06-Mai Seminários 14 Terça-feira 13-Mai Seminários 15 Terça-feira 20-Mai Seminários 16 Terça-feira 27-Mai Prova 2 (3,0 horas de prova) 17 Terça-feira 3-Jun Revisão 18 Terça-feira 10-Jun Prova final (3,0 horas de prova)

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