FISIOLOGIA DE SEMENTES INTRODUÇÃO

Transcrição

1 SEMENTE FISIOLOGIA DE SEMENTES INTRODUÇÃO - Estrutura biológica complexa, contendo uma planta em miniatura acompanhada por substâncias de reserva e protegida por uma cobertura (tegumento e/ou partes do fruto) Julio Marcos Filho Tecnologia de Sementes Depto. Produção Vegetal USP/ESALQ - Desempenha importante função biológica + importância para a produtividade agrícola +usosdiretoseindiretos IMPORTÂNCIA DAS SEMENTES MEIO DE SOBREVIVÊNCIA PARA A ESPÉCIE Resistem a condições de ambiente, fatais à planta-mãe e a materiais de propagação MEIO DE SOBREVIVÊNCIA PARA A ESPÉCIE - Toleram a dessecação - Dormência - Dispersão GARANTIA DA CONTINUIDADE DA SUCESSÃO DE GERAÇÕES distribuição da germinação no tempo distribuição da germinação no espaço 1

2 MEIO DE SOBREVIVÊNCIA PARA A ESPÉCIE Sementes apresentam grande diversidade de formas e de tamanhos - Tamanhos médios, em geral - Árvores: 328 mg - Arbustos: 69 mg - Plantas herbáceas: 07 mg O número de sementes produzidas pela planta geralmente tem relação inversa com o seu tamanho Semente de Coco-do-Mar (double coconut palm): pode atingir 25 kg MEIO DE SOBREVIVÊNCIA PARA A ESPÉCIE Tamanho de sementes Menores Plantas produzem maior número de sementes Fácil dispersão pelo vento, disseminação ampla Germinam quando situadas próximo à superfície do solo Podem ser consumidas por organismos no solo (insetos, pequenos animais) Maiores Plantas produzem número relativamente pequeno de sementes Dispersão limitada, apenas com auxílio externo (homem, animais) Podem ser enterradas no solo e germinar sob maiores profundidades Mais protegidas do ataque de organismos predadores ALIMENTOS E PRODUTOS ESSENCIAIS - Sementes contribuem significativamente para a dieta humana, em proporções variáveis, de acordo com a região considerada -Dezdosvinteedoisalimentosmaisimportantesdeorigem animal e vegetal correspondem a culturas produtoras de grãos (sementes) - Três (milho, arroz e trigo) dos dez produtos mais importantes, com base na quantidade disponível de alimentos, são cereais, representando aproximadamente 75% do suprimento mundial de alimentos. 2

3 ALIMENTOS E PRODUTOS ESSENCIAIS - Espécies produtoras de sementes representam número relativamente pequeno de famílias, predominando as Poáceas (gramíneas) e as Fabáceas (leguminosas). - Cereais: sementes ricas de amido (teor superior a 60%) e teor relativamente baixo de proteínas (inferior a 13,0%). - Leguminosas: concentrações mais elevadas de proteínas (próximos de 40%), teores intermediários de amido e, geralmente, baixos de lipídios - Oleaginosas: geralmente, teores elevados de lipídios (29 a 54%) e de proteínas (próximos de 20%) ALIMENTOS E PRODUTOS ESSENCIAIS Aproximadamente 90 % dos grãos produzidos no mundo: cereais, predominando trigo, milho e arroz que representam a base alimentar de inúmeros países. Cereais e leguminosas prevalecem na dieta humana em regiões da Ásia e da África, mas esse valor situa-se em torno de 30%, em países mais desenvolvidos, onde os grãos são convertidos em carne, leite, ovos e vários outros produtos. PRODUTOS ESSENCIAIS Matérias primas para a produção de vários artigos essenciais ou materiais de multiplicação de plantas importantes para a produção de óleos comestíveis, roupas, bebidas, substâncias medicinais, madeira, papel, bioplástico, sabões, detergentes, vernizes, combustíveis e vários outros produtos MULTIPLICAÇÃO DE PLANTAS espécies descritas multiplicadas por sementes 3

4 MELHORAMENTO DE PLANTAS Semente centro das alterações planejadas pelos melhoristas Conservação de germoplasmas: manutenção de genes para intercâmbio Mecanismo mais rápido e eficiente para difusão de novos cultivares Semente veículo dos avanços da genética Produção de milho (bu/acre) nos EUA, destacando-se os períodos dominados por cultivares de polinização aberta, híbridos duplos e híbridos simples (Crow, 1998). Contreras A SEMENTE COMO INSUMO AGRÍCOLA Início da Agricultura na região dos rios Tigre e Eufrates, aproximadamente A.C. A SEMENTE COMO INSUMO AGRÍCOLA Na época, descoberta de progenitores selvagens de trigo, cevada, linho, grão de bico, ervilha, lentilha, ervilhaca Aproveitamento da água dos rios mediante a escavação de canais para irrigação Formas selvagens (progenitores) das espécies que mais interessavam: domesticadas gradativamente para atender as necessidades da humanidade 4

5 A SEMENTE COMO INSUMO AGRÍCOLA ALGUMAS CONSEQUÊNCIAS DA DOMESTICAÇÃO: - Perda da eficiência de mecanismos de dispersão (degrana, deiscência) - Redução ou perda completa da dormência - Redução do ciclo de várias espécies. Exemplo: arroz perene para anual - Aumento no tamanho das inflorescências, das sementes, número de flores/planta - Redução de exigências climáticas (Ex: fotoperíodo) - Aprimoramento dos métodos de melhoramento População Mundial (bilhões de habitantes Anos Evolução da população mundial a partir de 1950 U.S. Census Bureau (2013) 7 10? A SEMENTE COMO INSUMO AGRÍCOLA CRESCIMENTO DA POPULAÇÃO MUNDIAL E NECESSIDADE DE APRIMORAR TECNOLOGIA DE PRODUÇÃO Produção / área = cultivar + técnica cultural + insumos Cultura Posição no Mundo (1.000 t)) Produtiv. Mundial (kg/ha) Maior Produtiv. (kg/ha) e País Produtiv. Brasileira (kg/ha) Maior Produtiv. Estadual (kg/ha) Algodão 5 o (3,195) (Síria) (12 o ) (MA) Arroz 9 o (13,477) (Egito) (29 o ) (SC) Café 1 o (2,700) (S. Leoa) (8 o ) (GO) Feijão 1 o (3,435) (Irlanda) 935 (61 o ) (DF) Milho 3 o (55,660) (Itállia) (55 o ) (GO) Soja 2 o (74,815) (Turquia) (3 o ) (TO) Sorgo 9 o (1.931) (Turquia) (31 o ) (DF) Trigo 21 o (5.690) (Irlanda) (551 o ) (DF) Produção e produtividade brasileira e mundial selecionadas de seis culturas de expressão econômica, em

6 Milhões (t ou ha) Área (milhões ha) Produção (milhões t) Produtividade (kg/ha) Anos Área cultivada, produção total e produtividade de grãos no Brasil, período 1991/2009. Fonte: Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB/MAPA) - Houve elevação consistente da produção nacional de grãos, sem variações consideráveis da área cultivada, refletindo o crescimento da produtividade e a eficiência da agricultura. Produtividade (kg/ha) Algodão Arroz Feijão Milho Soja Trigo Culturas 1991 a a a Evolução da produtividade brasileira (kg/ha) de seis culturas de economicamente importantes, no período 1991/2012. Fontes: Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB/MAPA); Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística Cultura /12 Algodão Arroz Taxas de utilização de sementes de soja, safra 2007/08 Feijão Milho Soja Trigo Taxas de utilização de sementes selecionadas de algumas culturas de expressão econômica, no Brasil (ABRASEM) Fonte: ABRASEM e CONAB (2008), adaptado por Pádua (2008) França Neto,

7 Produção/área e taxas de utilização de sementes de soja, safra 2009/10 Produtividade (kg/ha) % 82% 91% 88% 87% 88% 85% Produtividade Uso de sementes RS PR GO MT MS SP SC Estados Fonte: ABRASEM e CONAB. Baseado em Pádua (2008) Milho 2011 Produtividade (kg/ha) % 70% 80% 70% 70% 45% Uso de sementes (%) Produtividade Uso de sementes Porcentagem (Germinação, Viabilidade TZ 1-5, Vigor TZ 1-3 e Emergência de Plântulas) RS PR GO MS SP SC Estados 0 Porcentagem (Frequência de Lotes) Trigo 2010 Comparação entre potencial fisiológico (G, TZ e EM) de sementes próprias e comerciais de soja, no depósito da semeadora Villas Bôas e Peske (2007) 7

8 À medida que se verifica o refinamento dos programas de melhoramento genético, cresce a demanda por sementes com atributos diferenciados de qualidade e desempenho de alta eficiência O desenvolvimento de procedimentos eficientes para a produção, processamento e avaliação da qualidade das sementes somente pode ser concretizado quando estiver apoiado em conhecimento suficiente dos processos vitais das sementes, dos fatores que os afetam e de suas relações com o desempenho após a semeadura e durante o armazenamento FISIOLOGIA DE SEMENTES Estudo dos processos vitais das sementes, com relação às suas funções e desempenho (maturação, germinação, dormência, deterioração, vigor), sob ampla diversidade de condições de ambiente (planta-mãe, solo, processamento, armazém). Atividades do Fisiologista de Sementes Trabalho conjunto com o melhorista Assessoramento da produção de sementes Assessoramento do beneficiamento Assessoramento da secagem e armazenamento Avaliação da eficiência de produtos químicos Gerenciamento de programas de controle de qualidade Avaliação da conveniência e gerenciamento de tratamento de sementes: produtos e processos 8

9 Primeiro contato homem / fisiologia de sementes: estabelecimento da Agricultura A EVOLUÇÃO DO CONHECIMENTO Euforia x conseqüências imediatas Cultura egípcia: sementes símbolo do recomeço, do retorno à vida após a morte Evenari (1980, 1981) - Teofrasto (IV A.C.): pai da Fisiologia de Sementes ( A.C.) - Estudos sobre transferência de matéria seca planta / semente - Fatores que afetam a germinação - Coordenação de estudos sobre dormência, armazenamento, pré-embebição para a germinação, relações maturação/germinação PROCESSO OU CARACTERÍSTICA TEOFRASTO PLÍNIO - Armazenamento de reservas na semente *** Efeitos benéficos da secagem --- *** - Efeitos do ambiente durante a maturação *** Pericarpo e tegumento das sementes *** Impermeabilidade do tegumento em leguminosas *** Aspectos da dispersão *** Efeitos da água, temperatura, idade na germinação *** Comportamento de diferentes espécies quanto à germinação *** Diferenças na longevidade *** *** - Velocidade de germinação *** *** - Embebição (condicionamento?) de sementes *** Tamanho de sementes x produtividade *** Zoocoria (passagem de sementes pelo trato intestinal) *** *** - Peletização --- *** - Tratamento contra organismos nocivos --- *** 9

10 Evenari (1980, 1981) - Documentação sistemática apenas após o século XVII Problemas de comunicação Guerras Perdas de documentos valiosos Influência da Igreja Influência da Política - Século XVII: 1654: longevidade de sementes de floríferas (Laurenberg) - Século XIX: primeiras pesquisas sobre polinização, fertilização, embriogênese e formação do endosperma - Sachs (1859/1862): Pai da moderna Fisiologia de Sementes: pesquisas sobre as relações entre temperatura e germinação, temperaturas cardeais, acúmulo de matéria seca durante a maturação e mobilização durante a germinação, período de latência pós-maturidade e eventos bioquímicos característicos da germinação - Nobbe (1860): início da Análise de Sementes e primeiro livro sobre o assunto - Final do século XIX e início do XX: publicação de vários artigos sobre germinação e desenvolvimento de plântulas, impermeabilidade do tegumento, efeitos de temperaturas alternadas, de promotores e inibidores da germinação - Flint e Mc Allister (1935 / 1937): relações entre radiações luminosas e germinação - Revisões sobre deterioração de sementes: Crocker, em 1938 e 1948 Marco histórico em 1950: despertar da atenção para o vigor de sementes Anos 1960 e 1970: - Vigor - Maturação - Germinação - Dormência 10

11 Anos 1980 e Condicionamento fisiológico - Efeitos de estresses ambientais - Tolerância à dessecação, estado vítreo - Bioquímica da germinação e deterioração - Sementes recalcitrantes - Vigor de sementes Atualmente - Desempenho de sementes: diferentes aspectos - Análise de imagens de sementes e de plântulas - Técnicas de Biologia Molecular - Conservação de germoplasmas - Expressão de genes: genômica, proteômica, transcriptômica, metabolômica, microarranjos Não é mais possível ignorar as relações Fisiologia de Sementes x Biologia Molecular GENES Carregam as instruções fundamentais para gerenciar o desenvolvimento organizado de uma planta A Fisiologia Vegetal e a Fisiologia de Sementes procuram esclarecer como os produtos de um ou mais genes se manifestam para expressar o padrão de desenvolvimento e como o ambiente afeta esse processo Genômica Estudo do genoma completo, envolvendo o seqüenciamento e mapeamento genético, além das interações e expressões de genes Transcriptômica Estudo do da porção transcrita do genoma ou a análise do conjunto de todo o RNAm transcrito, que pode ser alterado com o tempo ou etapa do desenvolvimento. Transcriptoma: fração do DNA que está sendo transcrita em RNAm num determinado momento. Proteômica Estudo completo das proteínas produzidas por uma célula ou organismo num determinado momento ou sob condição específica (RNA-m é traduzido em proteínas) Metabolômica Estudo completo do conjunto de atividades metabólicas ou de moléculas menores (metabólitos intermediários, produtos secundários, hormônios, etc) realizadas numa célula ou organismo QTL Caracteres definidos associados a regiões específicas do genoma e que podem ser controlados por loci múltiplos. Marcadores moleculares têm permitido a identificação precisa de QTL de caracteres muito importantes em plantas. 11

12 É muito importante sequenciar e identificar a função de cada gene Estudos de genômica, transcriptômica, proteômica, metabolômica permitem, entre outros aspectos: Identificar funções e interações de genes e proteínas Associar genes a fenótipos pré-determinados Determinar consequências fenotípicas de alterações em genes Selecionar genes de interesse para programas de melhoramento e controlar sua expressão A combinação dos segmentos da tecnologia ômica com os conhecimentos de Genética e de Fisiologia devem conduzir à identificação de genes, proteínas, metabólitos e dos respectivos mecanismos reguladores que controlam a manifestações dos diferentes componentes da qualidade das sementes Podem, também, constituir marcadores para caracterizar componentes da qualidade, utilizáveis para selecionar ferramentas para programas de melhoramento vegetal; monitorar programas de controle de qualidade; aprimorar a qualidade das sementes mediante modificações do genótipo. EXPRESSÃO DE GENES - Exemplos: etapas e peculiaridades do desenvolvimento das sementes mecanismo genético do controle do tamanho da semente controle da apomixia controle da dormência: indução e superação tolerância a estresses e à dessecação manifestação do vigor termotolerância e longevidade otimização de tratamentos condicionadores MICROARRANJOS Técnica Experimental da Biologia Molecular que busca medir níveis de expressão transcrita em larga escala, ou seja, que permite o exame simultâneo da expressão de milhares de genes 12

13 Alterações em transcriptomas durante o desenvolvimento de sementes (estádios embrionários globular, coração e torpedo) nas regiões apical (A) e basal (B) A B E.g. arranjo em Arabidopsis ATH1, representando genes (Henk Hilhorst) Ferramentas da bioinformática são necessárias para analisar e comparar a expressão de padrões. Spencer, M. W.B., et al. Plant Physiol. 2007;143: Pesquisa no Brasil - Oliveira e França Neto (1998): Não há registros de publicações sobre sementes no Brasil, durante o século XIX Pesquisa no Brasil - Primeiro artigo: Min. Agric. (1911) Plantas e sementes: informações práticas sobre a cultura do milho, cujo nome na sciencia é Zea mays - Primeira metade do século XX: Esforços individuais de poucos pesquisadores - Meados dos anos 1960: Evolução com programas no exterior (Mississippi) 13

14 Relação dos Seminários e dos Congressos Brasileiros de Sementes ocorridos no Brasil entre 1967 e 2009 França Neto, 2009 EVENTO ANO LOCAL N º TRABALHOS Seminários Brasileiros de Sementes I SBS 1967 Viçosa, MG 21 II SBS 1968 Pelotas, RS 49 III SBS 1970 Recife, PE 47 IV SBS 1973 Fortaleza, CE 31 Subtotal Congressos Brasileiros de Sementes (ABRATES) I CBS 1979 Curitiba, PR 119 II CBS 1981 Recife, PE 120 III CBS 1983 Campinas, SP 154 IV CBS 1985 Brasília, DF 214 V CBS 1987 Gramado, RS 191 VI CBS 1989 Brasília, DF 142 VII CBS 1991 Campo Grande, MS 203 VIII CBS 1993 Foz do Iguaçu, PR 286 IX CBS 1995 Florianópolis, SC 368 X CBS 1997 Foz do Iguaçu, PR 454 XI CBS 1999 Foz do Iguaçu, PR 368 XII CBS 2001 Curitiba, PR 558 XII CBS 2003 Gramado, RS 816 XIV CBS 2005 Foz do Iguaçu, PR 684 XV CBS 2007 Foz do Iguaçu, PR XVI CBS 2009 Curitiba, PR 978 XVII CBS 2011 Natal, RN Subtotal TOTAL Inclui Simpósio da ISTA França Neto, 2009 Pesquisa no Brasil - Participação brasileira em Congressos da ISTA, a partir de 1992: Argentina (1992) 12% Dinamarca (1995) 12% África do Sul (1998) 16% França (2001) 25% (2 o ) Hungria (2004) 22% (1 o ) Foz do Iguaçú (2007) 42,8% (1 o ) Alemanha (2010) 31% (1 o ) Turquia (2013) 22,4% (1 o ) Distribuição percentual de trabalhos, de acordo com as principais áreas de pesquisa, em Simpósios ISTA, de 1998 a TEMAS Congresso 26 Angers, 2001 Congresso 27 Budapest, 2004 Congresso 28 Iguaçu, 2007 Congresso 29 Colônia, 2010 Produção 11,9% ( ) 15,4% 7,2 % 9,6% Fisiologia 30,6% 33,6% 30,0% 28,7% Análise 26,0% 28,7% 25,0% 27,2% Patologia 17,4% 12,6% 14,2% 12,5% Secagem e Armaz. 6,4% 3,8% 15,9% 11,0% Outros 7,7% 5,9% 7,7% 11,0% N o de trabalhos ( ) Comparações dentro de cada linha: símbolos indicam acréscimos ( ) ou decréscimos ( ) de percentagens referentes a simpósios subseqüentes, dentro de cada tema. 14

15 Pesquisa Internacional - Temas predominantes, no momento: Germinação, Maturação, Vigor, Condicionamento Fisiológico, Recalcitrantes, Tolerância à Dessecação, Aplicações da Biologia Molecular, Análise de Imagens, Conservação de Recursos Genéticos, Mecanismos de Expressão Gênica, Controle Biológico de Patógenos, Relações entre Proteínas e Processos Biológicos, Produção de Sementes Orgânicas - Espécies: grandes culturas e, em menor escala, hortaliças, forrageiras e florestais Carência: floríferas, frutíferas, nativas, medicinais AS INCORPORAÇÕES DE NOVOS CONHECIMENTOS E DE TÉCNICAS DESENVOLVIDAS PELA PESQUISA (Biologia Molecular, Bioquímica, Biofísica) ACENTUA A NECESSIDADE DA EVOLUÇÃO DA EFICIÊNCIA DOS PROCEDIMENTOS ADOTADOS NAS DIFERENTES ETAPAS DE UM SISTEMA DE PRODUÇÃO DE SEMENTES CONSEQUÊNCIA: NECESSIDADE DO APRIMORAMENTO PERMANENTE DA COMPETÊNCIA DOS PROFISSIONAIS DEDICADOS À PESQUISA E TECNOLOGIA DE SEMENTES CONCLUSÃO A pesquisa com sementes tem percorrido longo caminho e têm ocorrido acúmulo muito significativo do conhecimento com o decorrer do tempo Embora a pesquisa acadêmica seja fundamental, os estudos devem focalizar as necessidades da indústria de sementes, dos tecnologistas de sementes e produtores rurais para assegurar que a pesquisa continue dinâmica e possa contribuir para a solução de problemas fundamentais. 15