Regulação do crescimento por fatores ambientais

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 azulesverdeada.
• 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
Forma ativa
A
B
D
C
Cys
•
•
•
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 Cys
Forma inativa
A
B
C
D
Biossíntese do cromóforo
• O cromóforo é
sintetizado nos
plastídeos.
• Precursor biológico
do cromóforo: é o
mesmo da clorofila
(ácido δaminolevulínico)
• 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.
660 nm
Forma ativa
730 nm
Conversão
Biossíntese lenta no escuro
Respostas
biológicas:
germinação
de sementes,
abertura de
estômatos,
floração
Destruição enzimática
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)
Florescem no final do verão ou
durante o outono
Plantas de dia longo (noite curta)
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
LUZ
ESCURO
+ 660 nm
+ 730nm
O fitocromo é o pigmento + 600nm
envolvido na percepção
da luz pela semente
ESCURO
O último pulso
de luz determina
a resposta da
semente
ESCURO
+ 660 nm
ESCURO
+ 660 nm
+ 730nm
ESCURO
+ 660 nm
+ 730 nm
+ 660 nm
+ 730 nm
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
Transdução de
sinal
(fosforilação ?)
LUZ
FITOCROMO
FITOCROMO
Forma
inativa
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
– 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