FORMAÇÃO DA SEMENTE DE ANGIOSPERMAS MULTIPLICAÇÃO DE PLANTAS Julio Marcos Filho Tecnologia de Sementes Depto. Produção Vegetal USP/ESALQ R E P R O D U Ç Ã O CICLO SEXUADO (n) RECOMBINAÇÃO GÊNICA (2n) NOVO INDIVÍDUO CICLO ASSEXUADO (2n) MANUTENÇÃO GÊNICA (2n) ESTABELECIMENTO DO CLONE P R O P A G A Ç Ã O Diagrama ilustrativo das formas de multiplicação dos vegetais (Scarpare Filho e Almeida, 2002) MULTIPLICAÇÃO DE PLANTAS PROPAGAÇÃO REPRODUÇÃO VIA SEXUADA: SEMENTES Produção de um novo organismo, com intervenção de células ou núcleos sexuais (gametas) Há renovação do indivíduo PROPAGAÇÃO VIA ASSEXUADA Partes vegetativas, células e tecidos da planta, com capacidade de regeneração Manutenção de clones VEGETATIVA (Propágulos) Natural (bulbos, tubérculos, rizomas...) Artificial (estaquia, enxertia, micropropagação, sementes artificiais) APOMIXIA (sementes assexuadas ) Propágulo: parte da planta utilizada para propagação 1
PROPAGAÇÃO RELAÇÕES COM MULTIPLICAÇÃO SEXUADA VOLUME DE MATERIAL manejo e transporte MANEJO PARA INSTALAÇÃO DA LAVOURA mecanização CUSTO E TRABALHO PARA A PRODUÇÃO DE MUDAS ARMAZENAMENTO VARIABILIDADE GENÉTICA DOS DESCENDENTES ADAPTAÇÃO AO AMBIENTE CONDIÇÕES DESFAVORÁVEIS DEGENERESCÊNCIA CUSTO DO MATERIAL EM RELAÇÃO AO DAS SEMENTES MELHORAMENTO GENÉTICO TRADICIONAL FORMAÇÃO DA SEMENTE REINO VEGETAL : 350.000 espécies descritas 250.000 multiplicadas por sementes REPRODUÇÃO: transição da fase vegetativa para a reprodutiva alteração na atividade de gemas: percepção de estímulos FLORESCIMENTO INÍCIO DA FASE DO CICLO DE VIDA VEGETAL QUE CULMINA COM A FORMAÇÃO DA SEMENTE USOS PROPAGAÇÃO ESPÉCIE NÃO PRODUZ SEMENTES EXIGÊNCIAS DE CONDIÇÕES ESPECIAIS PARA A PRODUÇÃO DE SEMENTES CONSTITUIÇÃO GENÉTICA HETEROZIGÓTICA, COM TAXA ELEVADA DE SEGREGAÇÃO PERÍODO E UNIFORMIDADE PARA A FORMAÇÃO DA LAVOURA UNIFORMIDADE E FIDELIDADE AO GENÓTIPO SEMENTES COM BAIXA LONGEVIDADE MERISTEMAS: FORMAÇÃO DA SEMENTE Tecidos vivos, ainda não diferenciados, que se multiplicam por divisões mitóticas, formando novos tecidos que dão origem a partes específicas da planta. São sinônimos de tecidos embrionários e constituem primórdios vegetativos (raiz, caule, folhas) ou reprodutivos (órgãos florais) 2
INDUÇÃO FLORAL FLORESCIMENTO SEMENTE Fase vegetativa juvenil Alteração fisiológica que permite o desenvolvimento de primórdios reprodutivos, sob o estímulo de fatores ambientais - Água ZIGOTO Ciclo de uma planta multiplicada por sementes PLANTA EM VEGETAÇÃO - Fotoperíodo - Agentes químicos: fitohormônios - Temperatura: unidades térmicas, temperaturas amenas, vernalização Fase reprodutiva adulta FLOR PLANTA ADULTA Indução Contreras Fase vegetativa adulta FLORESCIMENTO INDUÇÃO FLORAL Alteração fisiológica que permite o desenvolvimento de primórdios reprodutivos, sob o estímulo de fatores ambientais - Água - Fotoperíodo - Agentes químicos: fitohormônios - Temperatura: unidades térmicas, temperaturas amenas, vernalização Plantas anuais: ciclo em uma estação de crescimento Plantas bienais: ciclo em duas estações de crescimento Plantas perenes: vivem mais de dois anos; repetem anualmente o ciclo vegetativo e o reprodutivo, a partir da época em que superam o período juvenil Período juvenil: plantas não sensíveis a estímulos promotores do florescimento 3
Transição Vernalização antera pólen estigma filete estilete Contreras Fase vegetativa juvenil Fase vegetativa adulta Primeira estação de crescimento Fase reprodutiva adulta Segunda estação de crescimento pedúnculo ovário óvulo Corte longitudinal de uma flor completa e perfeita INICIAÇÃO FLORAL FLORESCIMENTO Expressão morfológica do estado induzido, que ocorre em tecidos meristemáticos FLORES - Tipos quanto às partes Completa x Incompleta FLORES Perfeita x Imperfeita 4
Contreras Flores imperfeitas ou unissexuadas FLORES - Tipos quanto sexo Hermafrodita Unissexuada - Planta quanto ao sexo Hermafrodita Unissexuada Monoica Dioica Andromonoica Ginomonoica Saco polínico Grãos de pólen Folha Carpelar Lóculo Óvulo Micrópila Filete ANTERA OVÁRIO REPRESENTAÇÃO DE CORTE TRANSVERSAL DE ANTERA E OVÁRIO Contreras Planta monoica 5
HÁBITOS DE CRESCIMENTO ar ep en con tap 1 2 3 cmgp 5 tt lp ex cr Exemplos de inflorescências de plantas de hábitos de crescimento determinado e indeterminado. http://ucavo/ucr.edu/avocadowebsite 7 po 6 in cv FORMAÇÃO DO GRÃO DE PÓLEN (microsporogênese) Tipos de grãos de pólen 6
GRÃO DE PÓLEN MICROSPOROGÊNESE Ovário sc pr nc sc pr mi nc mi Superfície da Exina Importância Porosidade Óvulo jovem a b c d e f ar Esporolenina Superfície da Intina Importância COMPOSIÇÃO DO PÓLEN : proteínas, lipídios, aminoácidos livres, vitaminas, auxinas, giberelinas IMPORTÂNCIA ar meiose FORMAÇÃO DO SACO EMBRIONÁRIO (macrosporogênese) três células degeneram célula mãe funcional célula mãe funcional mitose I mitose II mitose III 7
mi ovário Autopolinização em alface sg oo Corolla pr sc nc np ant óvulo Stigma Pollen Stamens fn Ovary Emergência do estilete e do estigma através da coluna estaminal em flores perfeitas de alface (Besnier, 1989). Contreras POLINIZAÇÃO TIPOS AUTOPOLINIZAÇÃO: citros, alface, tomate, quiabo, fumo, soja, berinjela, arroz, trigo, algodão, amendoim, feijão, cevada, ervilha, pimentão... POLINIZAÇÃO CRUZADA: milho, centeio, crotalária, sorgo, cebola, repolho e demais brássicas, mamona, maracujá, cenoura, cucurbitáceas, girassol, milheto, alfafa, maçã, manga, mamão, pera, pecã, espinafre, pimentão, berinjela 8
AGENTES DE POLINIZAÇÃO VENTO: AGENTES DE POLINIZAÇÃO VENTO: características do pólen e da estrutura floral Dispersão do Pólen pelo Vento - Características do pólen e da estrutura floral AGENTES DE POLINIZAÇÃO VENTO: características do pólen e da estrutura floral AGENTES INSETOS: características do pólen e da dispersão principais insetos polinizadores Cebola, cenoura, cucurbitáceas, girassol, crotalária, maracujá, repolho,... Polinização Crotalária Polinização Girassol (Unghiatti) 9
AGENTES ÁGUA flores masculinas Vallisneria sp. flores femininas Susan Stieve AGENTES MORCEGOS QUIROPTEROFILIA ORNITOFILIA Contreras e Rojas HOMEM 10
DIFICULDADES PARA A POLINIZAÇÃO DICOGAMIA PROTANDRIA milho, cenoura, cebola, pecã, girassol 1 2 3 4 5 1. Masculina; 2. Feminina; 3. Fecundada; 4. Frutificação; 5. Fruto Girassol estádio 4.4. DIFICULDADES PARA A POLINIZAÇÃO 1 2 3 PROTOGINIA manga, milheto, couve-flor, Magnolia, Primula 1 2 3 1. Fecundadas s/ estames e estigmas 2. Com estames 3. Com estigmas 11
DIFICULDADES PARA A POLINIZAÇÃO AUTOINCOMPATIBILIDADE Heterostilia, Genética repolho, crotalaria, maracujá, girassol, rabanete, centeio, pimentão, laranja Pimentão: variações nas posições do estigma e das anteras afetam a intensidade de ocorrência da polinização cruzada A B No primeiro dia (A), os estigmas estão receptivos e as anteras ainda não iniciaram a liberação de pólen. No segundo dia (B), as anteras liberam o pólen, mas os estigmas não mais estão receptivos. Exemplo com Magnolia grandiflora southern magnolia. Fotos: K. R. Robertson, University of North Carolina Contreras Protoginia em Magnolia Contreras 12
germinação do grão de pólen tubo polínico abortado tubo polínico normal saco embrionário tubo polínico (a) (b) (c) óvulo ovário Auto incompatibilidade gametofítica Contreras FECUNDAÇÃO - GERMINAÇÃO DO TUBO POLÍNICO lp Antera Turgor celular, concentração de Boro, gradiente de concentração de Cálcio, liberação de enzimas pelo estilete Estigma Grão de pólen Tubo polínico 13
FECUNDAÇÃO 1. SINGAMIA: núcleo reprodutivo (n) + oosfera (n) ZIGOTO (2n) núcleos polares núcleo vegetativo gametas masculinos EMBRIÃO gametas masculinos 1 núcleo do endosperma zigoto CARACTERÍSTICAS GENÉTICAS DO NOVO INDIVÍDUO SÃO TRANSMITIDAS tubo polínico 2 ATRAVÉS DE GENES LOCALIZADOS NOS CROMOSSOMOS DOS GAMETAS FECUNDAÇÃO A partir da primeira divisão do zigoto, a base estrutura padrão do embrião e o destino das células já se torna evidente 2. FUSÃO TRIPLA: núcleo reprodutivo (n) + núcleos polares (2n) NÚCLEO DO ENDOSPERMA (3n) ENDOSPERMA (?) Henk Hilhorst 14
Folhas primárias Feijão: desenvolvimento inicial do embrião e plântula formada epicótilo cotilédones hipocótilo Sistema radicular Primeira divsão do zigoto e sequência de desenvolvimento do embrião de Arabidopsis O papel do suspensor é fornecer sustentação ao embrião, sob o ponto de vista físico e nutricional, além de colaborar em mecanismos que regulam a embriogênese Há várias formas diferentes de suspensor Há comunicação entre o embrião e o supensor durante a embriogênese O suspensor é formado e degradado no decorrer da embriogênese Henk Hilhorst FORMAÇÃO DO EMBRIÃO DE MONO E DE DICOTILEDÔNEAS 15
PARTES DO EMBRIÃO - RADÍCULA: raiz rudimentar do embrião - HIPOCÓTILO: região de transição vascular entre raiz e caule - COTILÉDONE(S): Dicotiledôneas armazenamento de reservas ou folhas embrionárias Eixo embrionário Monocotiledôneas proteção ao eixo embrionário e transferência de reservas do endosperma para o embrião - PLÚMULA: massa de células meristemáticas gema apical - EPICÓTILO: presente na plúmula, em forma meristemática ou desenvolvido e identificável - Coleorriza, coleoptilo, epiblasto, raízes seminais (nó cotiledonar) - Mesocótilo: primeiro nó do epicótilo Cotilédones SEMENTE DE ERVILHA Radícula Plúmula: massa de células meristemáticas; representa a gema apical Hipocótilo: região de transição vascular entre raiz e caule COTILÉDONE Cotilédones: armazenamento de reservas TEGUMENTO plúmula + folhas primárias cotilédones hipocótilo raiz primária EMBRIÃO DE FEIJÃO EIXO EMBRIONÁRIO O EPICÓTILO ESTÁ PRESENTE NA PLÚMULA, EM FORMA MERISTEMÁTICA OU DESENVOLVIDO E IDENTIFICÁVEL SEMENTE DE ABÓBORA 16
Pericarpo Endosperma coleoptilo plúmula (folhas primárias) raízes seminais (nó cotiledonar) cotilédone (escutelo): proteção ao eixo e transferência de reservas coleoptilo coleorriza plúmula radícula raízes seminais raiz primária EMBRIÃO DO MILHO EM GRAMÍNEAS, O EMBRIÃO TAMBÉM PODE APRESENTAR O EPIBLASTO E HÁ AUTORES QUE CONSIDERAM O MESOCÓTILO DESENVOLVIMENTO DO ENDOSPERMA Cotilédone NÚCLEO DO ENDOSPERMA divisões diferenciação ENDOSPERMA Plúmula TECIDO DE RESERVA GERMINAÇÃO Endosperma Eixo hipocótilo-radícula SEMENTE DE CEBOLA SEMENTES ALBUMINOSAS: monocotiledôneas, mamona, café, alface, seringueira, tomate, beterraba 17
ne PERISPERMA Desenvolvimento do tecido nucelar materno Exemplos: café, beterraba zg nl pe pe celular (tomate) nuclear (gramíneas, mamona, maçã) helobial Corte de uma semente de beterraba DESENVOLVIMENTO DO ENDOSPERMA TEGUMENTO PRIMINA TESTA (Externo) SECUNDINA TEGMA (Interno) TECIDO DE RESERVA DESENVOLVIMENTO DO EMBRIÃO Funções, numa semente em desenvolvimento SEMENTES EXALBUMINOSAS: geralmente dicotiledôneas leguminosas, malváceas, cucurbitáceas, crucíferas TECIDO VIVO? - Caminho para o transporte e conversão de aminoácidos e açúcares para o embrião/endosperma durante o desenvolvimento - Acúmulo temporário de assimilados para uso posterior pelas células do tegumento - Auxiliar trocas gasosas - Suprimento de substâncias de crescimento para o embrião - Proteção do embrião e endosperma contra dessecação e agentes externos 18
TEGUMENTO Funções, numa semente formada - Manter unidas as partes da semente FRUTO PARTES: FRUTO E SEMENTE OVÁRIO MADURO, COM UMA OU MAIS SEMENTES EPICARPO -Proteção contra agentes externos (bióticos e abióticos): composição, estrutura - Regular trocas de água e trocas gasosas com o ambiente - Regular a germinação e interferir em mecanismos de dormência: estrutura e composição do tegumento, presença de mucilagem - Controle da dispersão espacial das sementes: asas, espinhos, pelos mucilagens, substâncias resistentes ao trato digestivo de animais a) PERICARPO MESOCARPO ENDOCARPO b) SEMENTE TEGUMENTO ENDOSPERMA (?) Eixo EMBRIÃO Cotilédone(s) Relações entre o teor de lignina e o índice de resistência a injúrias mecânicas em sementes de sete cultivares de soja (Alvarez et al., 1997) CULTIVAR LIGNINA (%) INJ. MEC. (índice) Doko 6,2 494 FT-2 6,2 575 Paraná 5,5 505 Bossier 5,2 401 Davis 4,6 373 Savana 4,3 349 IAC-2 4,2 266 FRUTO E SEMENTE FRUTOS SECOS: cariopse (gramíneas), aquênio (girassol, alface, cenoura), pixídio (beterraba) 19
NOZ SÂMARA SÍLIQUA VAGEM endocarpo FRUTOS CARNOSOS FRUTO E SEMENTE APOMIXIA DESENVOLVIMENTO ASSEXUADO DE SEMENTES, COM ESTRUTURA SEMELHANTE ÀS PRODUZIDAS APÓS A FECUNDAÇÃO SÃO SEMENTES FORMADAS A PARTIR DE CÉLULAS DIPLÓIDES DO ÓVULO, MEDIANTE DIFERENTES MECANISMOS, SEM QUE TENHA OCORRIDO A FECUNDAÇÃO CARACTERÍSTICAS DO PROCESSO - SUBSTITUI A REPRODUÇÃO PELA PROPAGAÇÃO - NÃO HÁ UNIÃO DE GAMETAS 20
POR QUE ESTUDAR FORMAÇÃO + MORFOLOGIA DE SEMENTES? Contreras TECNOLOGIA DE PRODUÇÃO - Clima - Época de semeadura - Semeadura: manejo do equipamento - Inspeções e roguing - Colheita isolamento Fluxo de pólen e risco de contaminação POLINIZAÇÃO E SUAS CONSEQUÊNCIAS: necessidade do conhecimento Area de produção de sementes IMPORTÂNCIA DA POLINIZAÇÃO PUREZA GENÉTICA Isolamento Direção predominante dos ventos Isolamento para produção de sementes de alface: plantas autógamas Contreras 21
Produção de sementes em estruturas protegidas IMPORTÂNCIA DA POLINIZAÇÃO PUREZA GENÉTICA Direção predominante dos ventos Proporção linhas masculinas e femininas (http://www.avrdc.org) Contreras Isolamento + insetos pepino PUREZA GENÉTICA Despendoamento em milho Contreras 22
IMPORTÂNCIA DA POLINIZAÇÃO PUREZA GENÉTICA Split Milho, tomate, sorgo, girassol, pepino Osvaldo P. Pereira Manual Mecânico Cristian Carvallo Semeadura para produção de híbridos de girassol, com duas linhas da linhagem masculina, para seis da feminina: linhas masculinas semeadas uma semana depois Rebeca Unghiatti 23
Split Girassol IMPORTÂNCIA DA POLINIZAÇÃO PUREZA GENÉTICA Machoesterilidade Milho, repolho, cenoura, girassol, milheto Unghiatti Semeadura das linhas masculinas uma semana antes das femininas: nas fotos, linhas masculinas no estádio VE, no dia da semeadura do parental feminino. Proporção linhas masculinas e femininas Produção de sementes de milho doce: proporção de linhas masculinas/femininas é de 4:3. Linhas masculinas semeadas 3, 6 e 10 dias após as femininas. Contreras e Rojas 24
Flor completa do tomateiro (A) e inflorescência com flores em diferentes estádios de desenvolvimento (B) - P.C.T. Melo Pétalas Pistilo Estames Cone de anteras Ovário Sépalas Aborto de flor Rebeca Unghiatti Estames de flores tubulosas A Camada de abscisão B IMPORTÂNCIA DA POLINIZAÇÃO QUANTIDADE PRODUZIDA Flor de tomate Presença de insetos Formato da área Controle de insetos Clima x época de semeadura Temperatura x viabilidade do pólen Contreras 25
1- Emasculação de flores em plantas femininas 2- Extração do pólen 3- Armazenamento do pólen Contreras 4- Polinização manual Coleta de pólen 26
Contreras Híbrido tomate Híbrido pimentão Técnicas de cruzamentos controlados POR QUE ESTUDAR FORMAÇÃO + MORFOLOGIA DE SEMENTES? AVALIAÇÃO DA QUALIDADE Testes de rotina e testes rápidos Pureza física, exame de silvestres, germinação, sanidade, tetrazólio... IDENTIFICAÇÃO DE CULTIVARES 27
POR QUE ESTUDAR FORMAÇÃO + MORFOLOGIA DE SEMENTES? RECONHECIMENTO DA MATURIDADE FISIOLÓGICA BENEFICIAMENTO Escolha de máquinas para separação Planejamento de linhas de fluxo Injúrias mecânicas RECONHECIMENTO DE PROBLEMAS E SUA EXTENSÃO Teste de tetrazólio em sementes de tomate Aspecto normal ou anomalias? Interpretação do teste de tetrazólio em sementes de Brachiaria brizantha, mediante ampliação de imagens digitalizadas (Custódio et al., 2012). 28
1 2 3 FISSURAS INTERNAS PROVOCADAS POR INJÚRIAS MECÂNICAS, NÃO IDENTIFICADAS EXTERNAMENTE PODEM PROVOCAR ANORMALIDADE NA GERMINAÇÃO (Flor, 2003). 1. Imagem externa; 2. Radiografia; 3. Plântula anormal 1 A A 2 B B Imagens radiográficas (A e B) de sementes da classe 50-75% (proporção embrião+endosperma/cavidade interna) e respectivas imagens fotográficas (A e B ) das plântulas anormal e normal resultantes do teste de germinação 1 (A) - maior espaço (área escura entre o endosperma e o embrião), maior incidência de plântulas anormais (A ); 2 (B) - menor espaço (área escura entre o endosperma e o embrião), maior incidência de plântulas normais (B ) (Gagliardi e Marcos Filho, 2010) 29
POR QUE ESTUDAR FORMAÇÃO + MORFOLOGIA DE SEMENTES? BIOTECNOLOGIA Embriogênese somática + sementes sintéticas SEMENTES ARTIFICIAIS OU SINTÉTICAS EMBRIÃO SOMÁTICO : DESENVOLVIMENTO DE EMBRIÃO A PARTIR DE CÉLULAS QUE NÃO SÃO PRODUTOS DA FUSÃO DE GAMETAS EMBRIOGÊNESE SOMÁTICA Natural: exemplo / embriões nucelares em citros Induzida: células induzidas por estímulos ambientais ou químicos SEMENTES ARTIFICIAIS OU SINTÉTICAS a) Embrião encapsulado b) Embriões somáticos, brotos ou outros tecidos encapsulados artificialmente que podem ser utilizados para cultivo in vitro ou ex vitro (Aitken-Christie et al., 1994) É UMA MODALIDADE DE CULTURA DE TECIDOS DE PLANTAS MEDIANTE A ENCAPSULAÇÃO DE EMBRIÕES SOMÁTICOS D semente sintética de café CÁPSULAS DE HIDROGEL: alginato de sódio, resinas plásticas de óxido de polietileno + reservas + agentes protetores + microrg. benéficos +... 30
mandioca abacaxi Feijão Embrião zigótico encapsulado 31