Regulação do crescimento por fatores ambientais Fisiologia Vegetal Avançada 2006

Principais fatores ambientais que afetam o crescimento vegetal Luz Temperatura Alta Baixa Disponibilidade de água Salinidade Gases Oxigênio Gás carbônico

Luz A luz pode afetar diversos processos da planta além de ser fonte de energia para a fotossíntese Provavelmente é o fator ambiental mais importante na sinalização para o crescimento da planta Três características principais da luz tem efeito biológico: Qualidade Direção Quantidade

Luz: Qualidade É definida pelo comprimento de onda do espectro luminoso O espectro visível varia entre 400 e 700nm As plantas tem pigmentos específicos que captam diferentes comprimentos de onda: Criptocromo na faixa do azul (320-400nm) Fitocromo - no vermelho (660-730nm) Fotorreceptores de UV – no ultravioleta (280-320nm)

Luz: Direção A direção da luz pode influenciar: O crescimento orientado das plantas que resulta em curvatura: Fototropismo Provavelmente um receptor de luz azul está envolvido na resposta da planta, intermediando a degradação diferencial da auxina.

Luz: Quantidade A luz é uma forma de energia, pode ser medida em Watts/m2 Luz azul (400nm) tem o dobro da energia da luz infravermelha (800nm) Pode ser subdividida em dois aspectos: Intensidade Duração do período de luz (fotoperíodo)

Luz: Quantidade A intensidade da luz pode afetar o desenvolvimento anatômico das folhas e afeta diretamente a fotossíntese A folha com menos camadas de células consegue aproveitar a luz num local sombreado

Luz: Duração O Fotoperiodismo é uma resposta fisiológica das plantas ao fotoperíodo, ou seja, a duração do dia comparada com a duração da noite que varia ao longo das estações do ano. Tipicamente o inverno tem noites mais longas e dias curtos. O verão tem dias longos e noites curtas. Na primavera, o comprimento do dia está aumentando e o da noite diminuindo. No outono, ocorre o inverso. Baseando-se na quantidade de luz a que são expostas, as plantas alteram seus ritmos internos para determinar a época de brotamento, floração, perda de folhas e germinação de sementes A percepção da duração do dia é regulada por um tipo especial de pigmento vegetal o Fitocromo. A folha é o local de percepção do estímulo fotoperiódico

O fitocromo O fitocromo é sensível à luz vermelha do espectro eletromagnético (660-730nm) Localização intracelular: em membranas de retículo endoplasmático, mitocôndrias e etioplastos e talvez na membrana plasmática. A distribuição parece modificar-se em função da iluminação. É mais abundante em tecidos meristemáticos (brotos, pontas de raiz), mas também está presente em folhas Em Arabidopsis, pelo menos 5 genes codificam para a seqüência protéica do fitocromo, o cromóforo é sempre o mesmo O gene PHYA se expressa abundantemente apenas em plantas crescidas no escuro, sua expressão é inibida pela luz Os genes PHYB-PHYE parecem ter expressão constitutiva, mas a quantidade de fitocromo produzida é bem menor, provavelmente atuam de modo cooperativo Existem mutantes incapazes de sintetizar o fitocromo, apresentam respostas alteradas à luz

O fitocromo: estrutura molecular O fitocromo é formado por duas subunidades protéicas de 125kDa que que estão ligadas entre si. Um cromóforo (a fitocromobilina) está ligado a cada subunidade. Ao ser extraído e purificado, o fitocromo apresenta coloração azul-esverdeada. O cromóforo tem a habilidade de mudar forma em função da exposição à luz, resultando em duas isoformas do fitocromo (Pr e Pfr)

O cromóforo A D B C Cys Forma ativa Tem 4 anéis heterocíclicos (A-D) A ligação indicada gira quando a planta recebe luz vermelho longo (730nm), passando para a forma inativa, com isso o anel D muda de posição O cromóforo é ligado a um aminoácido cisteína (Cys) na estrutura protéica do fitocromo Forma inativa A B C D Cys

Biossíntese do cromóforo O cromóforo é sintetizado nos plastídeos. Precursor biológico do cromóforo: é o mesmo da clorofila (ácido δ-aminolevulínico) O cromóforo é adicionado à estrutura protéica (PHYA-E) para formar a holoproteína funcional Fitocromo

Fitocromo: interconversão de formas O fitocromo é sintetizado na forma Pr. A forma Pr ao ser exposta à luz vermelha 660nm, é convertida para Pfr. A forma Pfr exposta à luz de 730 nm é convertido para Pr. No escuro a forma Pfr se transforma em Pr. Respostas biológicas: germinação de sementes, abertura de estômatos, floração 660 nm Forma ativa 730 nm Conversão lenta no escuro Destruição enzimática Biossíntese

Fitocromo: espectro de absorção da luz A forma Pr absorve o máximo de luz no comprimento de onda 660nm e se converte na forma Pfr (ativa) A forma Pfr absorve o máximo de luz a 730nm e se converte na forma inativa (Pr). As duas formas de fitocromo absorvem um pouco de luz na faixa do azul, mas não se sabe se isso tem algum efeito biológico Há um pouco de sobreposição de absorção de luz pelas duas formas de fitocromo, assim, nenhuma das duas forma predomina de modo absoluto. Há um equilíbrio dinâmico entre elas Pr Pfr

Fitocromo: tipos de respostas Há dois tipos de respostas: Rápidas- envolvem eventos bioquímicos. Ex. reações enzimáticas Lentas- envolvem eventos morfológicos e de crescimento. Exemplo: indução floral As respostas se distinguem pela quantidade de luz necessária: Fluência muito baixa- não são reversíveis pelo vermelho longo (730nm). Ex: indução do crescimento de plântulas de aveia Fluência Baixa- são reversíveis. Ex. germinação de algumas sementes fotoblásticas positivas Alta fluência- não são reversíveis. Ex: indução da síntese de antocianinas

Fitocromo: importância ecológica As plantas crescem de modo a evitar a sombra Ao detectar a luz, o fitocromo contribui para a sincronização dos ritmos circadianos (ciclos de 24h)

Modelo para os ritmos circadianos Provavelmente existe uma ação combinada do fitocromo e do receptor de luz azul na regulação dos ritmos circadianos Talvez a temperatura também exerça algum controle Não se sabe exatamente quais os mecanismos responsáveis pelo oscilador central Várias respostas fisiológicas dependem desse controle

Fotoperiodismo e floração Plantas de dia curto (noite longa) Plantas de dia longo (noite curta) Florescem no final do verão ou durante o outono Florescem no final da primavera ou início do verão

Fotoperiodismo: interrupção da noite A interrupção do período escuro com um flash de luz vermelha (660nm) inibe a floração da planta de dia curto Um flash de luz vermelha seguido de um flash de vermelho longo (730nm), reverte o efeito Uma seqüência de flashs, com a luz vermelha por último inibe a floração Uma seqüência de flashs, com vermelho longo por último permite a floração, como se a noite não tivesse sido interrompida Esse tipo de experimento demonstra a fotorreversibilidade das formas do fitocromo Existem ainda plantas neutras, que são indiferentes à duração do fotoperíodo

Fotoperiodismo e outros eventos Brotação de gemas dormentes Abscisão foliar no outono Formação de bulbos ao final da estação de crescimento Germinação de alguns tipos de sementes

Ausência de luz: Estiolamento O foto-controle da síntese de clorofila Plantas crescidas no escuro, apresentam alongamento excessivo do caule, os primórdios foliares não se expandem e algumas vezes o gancho apical não se desfaz. Cinco minutos diários de luz vermelha (660 nm) são suficientes para minimizar alguns desses sintomas, indicando a participação do fitocromo.

Fotoblastia em sementes SEMENTES FOTOBLÁSTICAS POSITIVAS ESCURO + 660 nm ESCURO + 660 nm + 730nm ESCURO + 660 nm + 730nm + 600nm ESCURO + 660 nm + 730 nm + 660 nm + 730 nm LUZ ESCURO O último pulso de luz determina a resposta da semente O fitocromo é o pigmento envolvido na percepção da luz pela semente

Fotoblastia: Importância ecológica Evita que plantas de sementes pequenas germinem em local muito sombreado, que impossibilita a sobrevivência das plântulas Plantas de sombra geralmente tem sementes neutras e ricas em reservas

Fotomorfogênese: genes envolvidos

Fotomorfogênese: genes envolvidos “O termo fotomorfogênese refere-se aos efeitos da luz sobre o desenvolvimento vegetal e o metabolismo celular.” (Taiz e Zeiger, 1998) Como um todo, a fotomorfogênese é um processo complexo, que envolve uma grande quantidade de genes Vários processos parciais podem ser isolados e cada um deles apresenta seus próprios mecanismos de controle a partir de sinais luminosos O fitocromo participa da sinalização em vários desses processos Alguns envolvem indução da expressão gênica, enquanto outros dependem de inibição A construção desse tipo de mapa só foi possível com os avanços da biologia molecular No entanto, vários detalhes ainda estão sendo elucidados.

Fitocromo e expressão gênica A forma Pfr do fitocromo induz a expressão dos genes que codificam para: Subunidade pequena da RUBISCO Proteína associada à clorofila no fotossistema II A forma Pfr do fitocromo inibe a expressão dos genes que codifica para: a forma do fitocromo A

Fitocromo: Modelo geral de ação LUZ Transdução de sinal (fosforilação ?) FITOCROMO Forma inativa FITOCROMO Forma Ativa Proteínas intermediárias Resposta Fisiológica

Temperatura baixa Reduz a atividade enzimática como um todo e pode causar diferentes injúrias, dependendo da espécie e sua tolerância ao frio Sementes recalcitrantes de espécies tropicais geralmente não podem ser armazenadas a temperaturas abaixo de 10-15oC Temperatura baixas, mas sem congelamento (0-10oC) podem induzir respostas biológicas em espécies adaptadas: Indução da floração (vernalização) Quebra de dormência de sementes embebidas (estratificação) O período de tempo necessário de tratamento varia O tratamento a baixas temperaturas simula as condições naturais de regiões de clima temperado A expressão gênica e o balanço hormonal se alteram em resposta às baixas temperaturas

Vernalização Definição: Promoção da floração devido à exposição a baixas temperaturas ou chilling O ápice do caule é o local de percepção do estímulo pelo frio A necessidade de vernalização é controlada geneticamente. O gene FLC é um potente repressor da floração. O tratamento de frio inibe a expressão desse gene e libera a floração A aplicação de giberelina pode substituir a exposição ao frio

Vernalização: um modelo

Estratificação Geralmente é realizada a baixa temperatura, mas também existe a estratificação à temperatura ambiente A aplicação de giberelinas pode substituir a exposição ao frio O frio estimula a síntese de giberelinas endógenas a partir do precursor: ácido ent-kaurenóico O conteúdo de ácido abscísico diminui durante a estratifcação

Temperatura alta Temperatura elevada pode induzir: Dormência secundária de sementes (termodormência) Danos celulares Aumento da transpiração Interrupção do crescimento Inibição da fotossíntese antes da respiração A temperatura limite para causar morte e o tempo de exposição variam entre espécies e órgãos O etileno está envolvido na superação da termodormência de sementes de alface

Temperatura alta: adaptações Pilosidade e ceras foliares para refletir a luz solar Enrolamento de folhas e mudança na orientação das folhas nas horas mais quentes do dia Folhas pequenas Heat shock proteínas (HSP) são sintetizadas em resposta a altas temperaturas e aumentam a tolerância térmica As HSP também são sintetizadas em outras situações de stress Algumas HSP tem a função de chaperonas, isto é, auxiliam a estabilização e o dobramento correto de outras proteínas

Interação entre luz e temperatura Principal interação Fotoperíodo – alternância de temperatura Para algumas espécies a vernalização deve ser seguida do fotoperíodo adequado para induzir a floração Provavelmente a vernalização é necessária para que o meristema apical se torne competente a responder aos sinais que induzem a floração

Disponibilidade de água

Deficiência de água: efeitos Condensação da cromatina, Acúmulo de ions e substâncias osmoticamnete ativas no vacúolo Fechamento dos estômatos – limitação da fotossíntese Inibição do crescimento – devido à perda de turgor celular Aumento da massa foliar específica Enrolamento do limbo Perda de área foliar por abscisão Expansão do sistema radicular– para garantir acesso à água Efeitos secundários Aumento de radicais livres, devido ao fechamento estomático, reduz-se a concentração de CO2 intercelular

Stress hídrico Leve Moderado Severo Muito severo Nas horas mais quentes do dia Fechamento estomático Moderado Sazonal Desaceleração cíclica do crescimento Severo Estiagem prolongada Perda de folhas, morte de plantas Muito severo Clima desértico Só plantas adaptadas

Stress hídrico: Adaptações Bioquímicas Ajustamento osmótico, reduz o potencial hídrico foliar e permite manutenção do turgor celular e absorção de água do solo com potencial hídrico mais baixo Fechamento estomático Induzido pelo ABA Alteração da expressão gênica Fisiológicas Fotossíntese C4 e CAM Morfológicas Folhas pequenas, espessas, modificadas em espinhos Raízes profundas ou muito espalhadas

Fechamento estomático Economiza água Reduz possibilidade de fotossíntese Pode ocorrer aumento da temperatura foliar

ABA e stress hídrico

Salinidade do solo Causa deficiência hídrica em plantas não adaptadas É comum em regiões áridas, manguezais e terras agrícolas manejadas inadequadamente Plantas adaptadas apresentam: Ajustamento osmótico Glândulas secretoras de sal

Tolerância à salinidade

Tolerância à salinidade e expressão gênica

Tolerância à salinidade: comparação

Gases Deficiência de oxigênio para as raízes geralmente ocorre em condições de alagamento Ocorre aumento da síntese de ABA na raízes Fechamento estomático, mesmo que as folhas não seja afetadas Senescência foliar prematura Paralisação do crescimento das raízes Respiração anaeróbica Formação de aerênquimas Raízes aéreas

Efeitos do alagamento: visão geral

FIM