germinação de sementes - Esalq
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ESTUDO DA GERMINAÇÃO FISIOLOGIA VEGETAL GERMINAÇÃO DE SEMENTES ESTUDOS BÁSICOS E MAIS APROFUNDADOS, INDEPENDENTES DA IMPORTÂNCIA ECONÔMICA DA ESPÉCIE OBJETIVO PRINCIPAL: CONHECIMENTO DO PROCESSO AGRONOMIA JULIO MARCOS FILHO TECNOLOGIA DE SEMENTES DEPTO. PRODUÇÃO VEGETAL USP/ESALQ DEPOSIÇÃO DE RESERVAS (FASE III) TENTATIVA DE AMPLIAR CONHECIMENTOS SOBRE ESPÉCIES DE IMPORTÂNCIA ECONÔMICA OBJETIVO PRINCIPAL É A OBTENÇÃO DE SUBSÍDIOS PARA USO CORRETO E RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS DESSECAÇÃO (FASE IV) Matéria seca do embrião FORMAÇÃO / MATURAÇÃO DIVISÃO E EXPANSÃO CELULAR (FASES I e II) HISTODIFERENCIAÇÃO REPOUSO FISIOLÓGICO Dias após o início do florescimento Dure III (1975) 1 REPOUSO FISIOLÓGICO CRESCIMENTO ZIGOTO DIFERENCIAÇÃO EMBRIÃO MADURO Ambiente desfavorável à germinação (temperatura e água) Repouso Mecanismos de bloqueio do metabolismo, localizados em tecidos da planta QUIESCÊNCIA EMBRIÃO MADURO REPOUSO FISIOLÓGICO GERMINAÇÃO CRIPTOBIOSE DORMÊNCIA DEFIC. HÍDRICA “INIBIDORES” BAIXO CONSUMO O2 MENOR ATIVIDADE ENZIMÁTICA “Sinal” do ambiente para a planta Condições específicas BLOQUEIO Ambiente não totalmente favorável DORMÊNCIA = MECANISMO DE RESISTÊNCIA REPOUSO FISIOLÓGICO É MECANISMO DE DEFESA CONTRA VARIAÇÕES DO AMBIENTE QUE DIFICULTAM OU IMPEDEM AS ATIVIDADES METABÓLICAS RUMO À GERMINAÇÃO REPOUSO FISIOLÓGICO MECANISMOS BLOQUEADORES SE DESENVOLVEM E PASSAM A AGIR DURANTE A MATURAÇÃO QUANDO A SEMENTE ENTRA EM REPOUSO, O TIPO DE AMBIENTE FAVORÁVEL REATIVAÇÃO DO METABOLISMO RETOMADA DO CRESCIMENTO EMBRIONÁRIO LATÊNCIA (REPOUSO) JÁ ESTÁ ESTABELECIDO, COM BASE EM INFORMAÇÃO GENÉTICA PRÉ- EXISTENTE 2 REPOUSO FISIOLÓGICO HORMÔNIOS SÃO OS “SENSORES” E OS MENSAGEIROS DOS ESTÍMULOS AMBIENTAIS REPOUSO FISIOLÓGICO SINAL “INVERSO” DO AMBIENTE HORMÔNIOS Ações - SÍNTESE DE SUBSTÂNCIAS ESPECÍFICAS - GERENCIAMENTO DE PROCESSOS FISIOLÓGICOS: ativação de genes - ATINGEM CONCENTRAÇÕES PRÉ-DETERMINADAS PARA QUE SEJA ATIVADO OU NÃO O PROCESSO DE TRANSCRIÇÃO DA MENSAGEM GENÉTICA ATIVAÇÃO DA TRANSCRIÇÃO CESSA BLOQUEIO METABOLISMO PARA A GERMINAÇÃO Conteúdo de ABA aumenta durante a fase intermediária do período de desenvolvimento da semente de tomate Germinação (%) Germ. ABA Dias após a polinização Henk Hilhorst 3 ENTRADA E SAÍDA DA DORMÊNCIA DORMÊNCIA: ATUAÇÃO DE MECANISMOS PROGRAMADOS GENETICAMENTE, COMO RESULTADO DE INDUÇÃO IMPOSTA POR COMBINAÇÃO DE CONDIÇÕES ESPECÍFICAS DO AMBIENTE.. REINÍCIO DAS ATIVIDADES PODE OCORRER EM CÉLULAS LOCALIZADAS EM DIFERENTES PARTES DO EIXO EMBRIONÁRIO CONCEITUAÇÃO CONCEITUAÇÃO Dormência é um fenômeno em que as sementes não germinam quando expostas a condições favoráveis de ambiente, devido à atuação de fatores internos (Diversos autores) Dormência é o estado de repouso fisiológico em que a semente, em função de sua estrutura ou composição química, possui um ou mais mecanismos bloqueadores da germinação (Villiers, 1972) CONCEITUAÇÃO Egley (1995): Dormência consiste na incapacidade do embrião reassumir nível suficiente de crescimento para a protrusão da raiz primária, mesmo quando os fatores de inibição foram removidos e as condições de ambiente são favoráveis à germinação Baskin e Baskin (2004): Dormência: fenômeno caracterizado pela incapacidade da semente germinar, durante determinado período de tempo, sob combinações de condições ambientais que seriam favoráveis à germinação a partir do momento em que as sementes superam a dormência. ????????? 4 1. Água Seca na maturação de sorgo Menor acúmulo de ABA Seca na maturação de aveia Maior atividade de giberelinas Seca na maturação de leguminosas Sementes impermeáveis (%) INDUÇÃO DA DORMÊNCIA Embebição (horas) Incidência de sementes com tegumentos impermeáveis a água, quando plantas de soja se desenvolveram em condições de deficiência hídrica ou com suprimento adequado de água (Hill et al., 1986) INDUÇÃO DA DORMÊNCIA 2. Temperatura: baixa ou elevada Elevada na maturação: dificuldade de acesso ao O2 Membranas: “sensores” das variações da temperatura A síntese de inibidores ou a deficiente de promotores pode ser a causa Efeito da temperatura sobre a manifestação da dormência em sementes de cevada e de alface. (BEWLEY & BLACK,1985) Causa anaerobiose parcial 5 Qualidade da luz INDUÇÃO DA DORMÊNCIA R-treatment 3. Fotoperíodo / luminosidade Maturação sob vegetação densa: FR-treatment maior concentração de PV (forma inativa) Porcentagens de germinação sob diferentes temperaturas, no escuro, de sementes de alface produzidas sob a influência de radiações vermelhas (“R-treatment” ) e infravermelhas (“FR-treatment”). Samuel Contreras. INDUÇÃO DA DORMÊNCIA Germinação (%) 100 luz fluorescente 80 4. Posição da semente na planta 60 Exemplos: variações em função da posição na panícula, no interior da vagem e da posição da vagem na planta 40 20 luz incandescente 20 40 60 80 Período pós-colheita (dias) Efeitos da qualidade da luz durante a maturação sobre a dormência de sementes de Arabidopsis thaliana (Hayes & Klein, 1974). 5. Nutrição mineral 100 Exemplo: em trigo, baixos níveis de K → > ABA → > dormência 6 SIGNIFICADO DA DORMÊNCIA PLANTA / SEMENTE Germinação apenas em ambiente favorável Maior longevidade da semente SIGNIFICADO DA DORMÊNCIA AGRICULTURA Conservação da semente durante longo período Resistência ao ambiente em campo e no armazém Resistência a condições adversas de ambiente Distribuição da germinação no tempo Impede a viviparidade Recursos de alta eficácia para a preservação da espécie Viviparidade em sementes de milho e de trigo Holdsworth et al. (1999) 7 SIGNIFICADO DA DORMÊNCIA AGRICULTURA Redução da emergência de plântulas em campo Germinação distribuída no tempo desuniformidade SIGNIFICADO DA DORMÊNCIA A domesticação e o melhoramento genético provocaram profundas transformações tanto na aparência como no deempenho das sementes AGRICULTURA Longevidade de sementes de plantas silvestres Programas atuais de melhoramento têm incluído formas selvagens de espécies hoje cultivadas para incorporar características de resistência. Com isso, pode haver introdução de fatores indesejáveis, como a dormência Necessidade de tratamento Problemas no melhoramento genético Plantas voluntárias ou espontâneas Zea parviglumis Zea mays Hilhorst 8 TIPOS DE DORMÊNCIA TIPOS DE DORMÊNCIA 2. SECUNDÁRIA 1. PRIMÁRIA Ocorre esporadicamente, pós-maturidade, em resposta ao ambiente Característica da espécie ou cultivar Ocorre sistematicamente, com intensidade variável, mas não dependente da região e ano Programada geneticamente, se instala durante a maturação Ciclos de Dormência Dormência Primária Dormência Superada Sementes que não eram dormentes Sementes que haviam superado a dormência Em recesso, o aparato para desencadear a manifestação do mecanismo que determina a dormência Secagem de sementes de sorgo Secagem de sementes de arroz Alface x termodormência ou termoinibição CAUSAS DA DORMÊNCIA Germinação Dormência Secundária Representação esquemática das transições entre dormência e germinação (ciclos de dormência na mesma semente) Hilhorst, 1998 A contínua reversão dormência / não dormência caracteriza o ciclo CLÁSSICAS - IMPERMEABILIDADE DA “COBERTURA” À ÁGUA - IMPERMEABILIDADE DA “COBERTURA” A TROCAS GASOSAS COM O AMBIENTE - RESISTÊNCIA MECÂNICA DA “COBERTURA” - EMBRIÃO IMATURO OU IMATURIDADE FISIOLÓGICA - SUBSTÂNCIAS INIBIDORAS - COMBINAÇÃO DE CAUSAS 9 CAUSAS DA DORMÊNCIA CAUSAS DA DORMÊNCIA CARVALHO & NAKAGAWA (1983) AMEN (1968) - Sistema de controle da entrada de água no interior da semente - Sistema de controle do desenvolvimento do eixo embrionário - Sistema de controle do equilíbrio entre promotores e inibidores - IMPERMEABILIDADE DA “COBERTURA” À ÁGUA - EQUILÍBRIO ENTRE PROMOTORES E INIBIDORES Subsistemas sensíveis a: luz, temperatura, O2 e/ou CO2, umidade (armazenamento, lavagem) , etileno, substâncias receptoras de Hidrogênio ou eletrons (nitratos) IMPERMEABILIDADE DA “COBERTURA” À ÁGUA Exemplos: soja perene, alfafa, calopogônio, trevos, leucena, centrosema, mucuna preta, quiabo, flamboyant, corda de viola, cuscuta SEMENTES DURAS Causas a) Porosidade do tegumento: ausência ou baixa densidade IMPERMEABILIDADE DA “COBERTURA” À ÁGUA Causas b) Suberina e/ou lignina na superfície do tegumento (cutícula e epiderme) c) Fechamento da fenda hilar d) Deposição de restos do endocarpo material ceroso Poros cutícula epiderme hipoderme parênquima e) Deposição de lipídios na base da camada paliçádica (epiderme) Monalisa 10 Espécie: Acacia caven Tratamento: ácido sulfúrico (90 min) IMPERMEABILIDADE DA “COBERTURA” À ÁGUA Tratada Testemunha Sementes duras Samuel Contreras 5 dias após s semeadura Sementes embebidas, não germinadas Sementes mortas (Seed Technologist Training Manual (Society Commercial Seed Technologists) TAMANHO DA SEMENTE GERMINAÇÃO (%) Pequena (0,76-1,0 cm3) 57 Média/Pequena(1,01-1,25) 62 Média/Grande (1,26-1,5) 67 Grande (1,51- 1,75 cm3) 78 Influência do tamanho da semente e sobre a intensidade de dormência em mucuna preta (Nimer et al., 1983) Um pedreiro deixou areia amontoada debaixo de uma planta de Leucena e, evidentemente, não peneirou a respectiva, antes de preparar a argamassa. Depois de 9 anos ... 11 RESISTÊNCIA MECÂNICA DA “COBERTURA” Há absorção de água e entrada de O2, mas a expansão do embrião é limitada pela resistência da “cobertura” Exemplos: pêssego, manga, castanha do Brasil, Paspalum, alface (endosperma) Causa rara e menos aceita Resistência mecânica ou resistência à saída de inibidores? Enfraquecimento de paredes celulares: endo-β-mananase Aspectos do crescimento do eixo embrionário (Ee) no interior do endosperma (En), sem que ocorra protrusão da raiz primária, em sementes sem pericarpo. (Nascimento, 2002) IMPERMEABILIDADE DA “COBERTURA” A TROCAS GASOSAS Exemplos: alface (endosperma), abóbora, arroz, aveia, beterraba, cevada, maçã, trigo, Xanthium, gramíneas forrageiras RESISTÊNCIA À ENTRADA DE O2 OU SAÍDA DE CO2 3 days 6 days 9 days During germination 9 days 25 days After germination Café: restrição mecânica ao crescimento do embrião Amaral da Silva - Estrutura e/ou composição química da “cobertura”: barreira física ? - Presença de inibidores - Beterraba (parede do ovário), arroz, cevada e forrageiras (glumelas), alface (membrana endosperma) - Mucilagem: semente ou fruto - Retenção de inibidores (glumelas) 12 Épocas (meses) Armazém Câmara Fria e Convencional Seca 1 Armazém Convencional 2 0 13,3 13,3 13,3 3 13,5 12,5 10,1 6 10,2 10,0 7,7 9 5,0 8,6 5,8 12 7,8 9,8 6,8 Valores da atividade da polifenoloxidase (unidades/min/g) em extratos de sementes de arroz, quantificadas durante o armazenamento em diferentes locais em ambientes (Vieira et al, 2008) IMATURIDADE DO EMBRIÃO Exemplos: alface (endosperma), abóbora, arroz, aveia, cenoura, beterraba, cevada, maçã, trigo, Xanthium, gramíneas forrageiras (Panicum, Brachiaria,Paspalum), pêssego, manga, castanha do Brasil Possíveis causas Desuniformidade de maturação Exigências específicas de ambiente Equilíbrio promotores x inibidores Efeitos do ambiente sobre as membranas (Gel) Épocas (meses) Câmara Fria e Armazém Armazém Seca Convencional 1 Convencional 2 0 76,8 76,8 76,8 3 251,2 420,2 703,7 6 256,8 465,0 701,2 9 293,6 490,7 877,4 12 297,0 491,2 902,0 Valores da atividade da α-amilase (mU) em extratos de sementes de arroz, quantificadas durante o armazenamento em diferentes locais em ambientes (Vieira et al, 2008) AÇÃO DE INIBIDORES Exemplos: alface (endosperma), abóbora, arroz, aveia, cenoura, beterraba, cevada, maçã, trigo, Xanthium, gramíneas forrageiras (Panicum, Brachiaria,Paspalum) pêssego, manga, castanha do Brasil, citros, pera, tomate, uva, girassol, algodão, amendoim Localização de inibidores: tegumento (“cobertura”), embrião, brácteas, polpa do fruto Tipos de inibidores Ácidos aromáticos: transcinâmico, cafeico, ferúlico, sinápico Lactonas: cumarina, anemonina, ácido parascórbico Terpenóides: ABA Taninos, compostos fenólicos, aldeídos (citral), alcalóides, (cafeína) 13 Modelo de dormência e germinação, com funções seletivas de hormônios (Khan, 1980) G C I Germinação (%) 60 40 20 20 40 60 Período a 20oC (dias) Variações na germinação de sementes de maçã, associadas à remoção progressiva do tecido cotiledonar (Bewley & Black, 1985). Cultivar G C I G C I G C I G C I G C I G C I C I G Fisiologicamente não efetivo Germinação Dormência Fisiologicamente efetivo Armazenamento (meses) 2 8 12 1 00 46 89 2 02 45 92 3 95 94 96 Germinação de sementes de berinjela armazenadas sob condições normais de ambiente. (Yogeesha et al.) Níveis de ABA (ng/g peso úmido) em sementes de berinjela armazenadas durante diferentes períodos em condições normais de ambiente (Yogeesha et al., 2006) 14 TRATAMENTOS PARA SUPERAR A DORMÊNCIA - Profundidade da dormência é inversamente proporcional à idade da semente - Dormência pode persistir por períodos curtos ou prolongados - Há carência de métodos práticos para superar a dormência - Dificuldade: identificar a(s) causa(s) do bloqueio Tratamento Procedimento Armazenamento Condições normais Escarificação mecânica Uso de material abrasivo Causa (s) Superada(s) Todas ITA, ITG Luz Germinadores ou semeadura superficial ITG, IF, SPI Baixas temperaturas 5 a 10oC, em ambiente úmido ITG, IF, SPI Água quente Imersão em água, a 60oC (1 a 2 minutos) Nitrato de potássio Em laboratório, a 0,2% (umedecer substrato) Lavagem em água corrente Durante 10 minutos Ácido sulfúrico conc. Em laboratório, 5 a 10 minutos Temperatura elevada Secagem a 40oC Éter, álcool, acetona Imersão durante 30 minutos ITA ITG, IF IF, SPI ITA, ITG, SPI ITG, IF, SPI ITA ITA: impermeabilidade do tegumento à água ITG: impermeabilidade do tegumento a gases SPI: balanço entre promotores e inibidores IF: imaturidade fisiológica do embrião Grau de Umidade (%) 3 MESES Não esc. Escarificada 12 MESES Não esc. Escarificada 8,1 91 90 95 91 8,9 93 87 82 75 11,0 92 63 79 37 13,0 87 43 75 32 Efeitos da escarificação mecânica sobre a germinação de sementes de lespedeza, armazenadas com diferentes graus de umidade (Ward, citado por Carvalho e Nakagawa, 1980) POR QUE UM MESMO TRATAMENTO PODE SER CAPAZ DE SUPERAR MAIS DE UMA CAUSA DE DORMÊNCIA ? 15 CAUSAS DE DORMÊNCIA AMEN (1968) - IMPERMEABILIDADE DA “COBERTURA” À ÁGUA - EQUILÍBRIO ENTRE PROMOTORES E INIBIDORES GERMINAÇÃO GERMINAÇÃO RETOMADA DO DESENVOLVIMENTO DO EMBRIÃO, ORIGINANDO UMA PLÂNTULA COMPREENDE UMA SEQUÊNCIA ORDENADA DE ATIVIDADES METABÓLICAS INICIADAS COM A EMBEBIÇÃO ENCERRAMENTO DO PROCESSO: BOTÂNICA PROTRUSÃO DA RAIZ PRIMÁRIA TECNOLOGIA DE SEMENTES PLÂNTULA NORMAL 16 Germinação e início do desenvolvimento da plântula 36 NG 48 60 72 Tomate Embebição (h) G germinação sensu stricto crescimento inicial da plântula Henk Hilhorst CONCEITOS DE GERMINAÇÃO Germinação pode ser encarada como uma sucessão de etapas que determina, em uma semente quiescente e com baixo teor de água, a retomada das atividades metabólicas e o início da formação de uma plântula, a partir do embrião (Mayer & Poljakoff-Mayber, 1975) Germinação compreende uma sequência ordenada de eventos metabólicos que resulta no reinício do desenvolvimento do embrião, originando uma plântula (Marcos Filho, 1986) Germinação de uma semente é a retomada de crescimento do embrião, que resulta na ruptura da cobertura da semente e na emergência da plântula (Copeland & Mc Donald, 1995) 17 O PROCESSO DE GERMINAÇÃO REATIVAÇÃO DO METABOLISMO A) FASE I: EMBEBIÇÃO II I Entrada de água Início Respiração Início Digestão das Reservas B) FASE II: PROCESSO BIOQUÍMICO PREPARATÓRIO OU INDUÇÃO DO CRESCIMENTO Período de Embebição PADRÃO TRIFÁSICO DE ABSORÇÃO DE ÁGUA PELAS SEMENTES DURANTE A GERMINAÇÃO (Bewley & Black, 1978) Digestão Respiração Translocação Assimilação C) FASE III: CRESCIMENTO Formação da plântula 0 MPa Padrão de captação de água - 0,5 MPa I II III - 1,0 MPa crescim. repouso Germinação completada Padrão trifásico de embebição Teor de Água (%) Teor de Água (%) III - 2,0 MPa Período de Embebição Henk Hilhorst Embebição sob menores potenciais prolonga a duração da Fase II e retarda ou impede o início da Fase III 18 O PROCESSO DE GERMINAÇÃO Potencial de Água: ψm + ψπ + ψp À medida que o material se hidrata, as moléculas de água passam a ocupar posições mais distantes da matriz (força de retenção diminui) A) FASE I: EMBEBIÇÃO REATIVAÇÃO DO METABOLISMO - RÁPIDA CAPTAÇÃO DE ÁGUA : GRADIENTE DE POTENCIAL - 0,05 MPa - 0,1 MPa - 50 MPa -150 MPa - DURAÇÃO: 8 A 16 HORAS Transferência de água ocorre através de gradiente de energia, com movimentação da região de maior para a de menor potencial, até que seja alcançado o equilíbrio. A partir daí, entra em ação a condutividade hidráulica - GRAUS DE UMIDADE (mínimos) COTILEDONARES: + 50% DE ÁGUA ENDOSPERMÁTICAS: 30 A 35% DE ÁGUA - REINÍCIO DO METABOLISMO: atividade respiratória, síntese e atividade de enzimas, início da digestão das reservas O PROCESSO DE EMBEBIÇÃO - Embebição ocorre gradativamente, com o umedecimento inicial dos tecidos mais próximos à superfície É estabelecida uma “frente de hidratação”, à medida que a água caminha para o interior da semente - Identifica-se fronteira nítida, deslocando-se para as partes mais secas e o aumento contínuo da quantidade de água nas partes umedecidas O umedecimento não é uniforme e sofre influência da região da semente em que há penetração de maior quantidade de água e das características e funções dos tecidos internos Embebição geralmente se inicia na extremidade oposta ao hilo, onde o tegumento é menos espesso (McDonald) 19 0h 0h McDonald, et al. 6h 6h 12 h A água se move rapidamente através da radícula devido à menor resistência oferecida pelos tecidos da região da comada negra 48 h 24 h McDonald, et al. A água se move lentamente quando penetra pela superfície do pericarpo (resistência do amido) CAPTAÇÃO DE ÁGUA POR DIFERENTES PARTES DA SEMENTE 2 EMBEBIÇÃO (horas) Captação de água por diferentes partes da semente de aveia durante a germinação (Burch e Delouche) EMBEBIÇÃO (horas) Velocidade de absorção de água por diferentes espécies (BURCH & DELOUCHE) 20 O PROCESSO DE GERMINAÇÃO Sacarose AMILASES: AMIDO Glucídios ATP B) FASE II: PROCESSO BIOQUÍMICO PREPARATÓRIO OU INDUÇÃO DO CRESCIMENTO Glicerol - Drástica redução da velocidade de embebição e respiração LIPASES: ATP Sacarose TRIGLICERÍDIOS Ácidos graxos Glucídios ATP - Digestão reservas substâncias solúveis e difusíveis Síntese de novas proteínas Aminoácidos Energia PROTEASES: PROTEÍNAS Peptídios pericarpo açúcar amido epicótilo ASSIMILAÇÃO DOS PRODUTOS MOBILIZADOS DNA Gib TRANSLOCAÇÃO DAS RESERVAS DIGERIDAS Fundamentalmente sacarose, aminoácidos e compostos fosfatados RNA escutelo Aminoácidos Difusão das reservas digeridas para o eixo embrionário α amilase endosperma Peptidases camada de aleurona radícula ÁGUA Transformação das reservas digeridas em paredes celulares e protoplasma; formação de novos tecidos SEMENTES DORMENTES NÃO ULTRAPASSAM A FASE II 21 30 cotilédones 20 50 epicótilo 10 RESPIRAÇÃO 100 hipocótilo radícula Massa dos cotilédones (mg) Massa do eixo embrionário (mg) PROCESSO BIOQUÍMICO PREPARATÓRIO folhas primárias 1 2 3 4 5 Dias após a semeadura RESPIRAÇÃO C6H12O6 Normalidade da germinação e do desenvolvimento de plântulas: Respiração, Atividade de Enzimas, Síntese de Proteínas Respiração é processo de liberação de energia química acumulada em moléculas de diversas substâncias orgânicas. Processos respiratórios: oxidação (aeróbica ou anaeróbica) de compostos orgânicos de alto valor energético e formação de substâncias mais simples (CO2 e H2O). RESPIRAÇÃO CO2 + H2O Mitocôndrios centros respiratórios da célula A molécula de glucose é “desmontada” para originar substâncias mais simples; isto ocorre em fases distintas: Glicólise: transformação de glicose em ácido pirúvico Ciclo de Krebs: transformação de ácido pirúvico em ácido cítrico, nos mitocôndrios Cadeia Respiratória: síntese de ATP 22 RESPIRAÇÃO RESERVAS A energia é utilizada para as atividades metabólicas da célula HIDRATAÇÃO O ATP atua como elemento fundamental na cadeia de liberação de energia: armazena energia química para depois distribuí-la de acordo com as necessidades da célula ATIVIDADE ENZIMÁTICA RESPIRAÇÃO DIGESTÃO Para que ocorra o desenvolvimento normal do embrião, as reações do processo liberador de energia devem ser conjugadas às dos processos consumidores de energia TRANSLOCAÇÃO ASSIMILAÇÃO SÍNTESE COMPOSTOS INTERMEDIÁRIOS SÍNTESE DE DNA OUTROS COMPOSTOS ENERGIA RELAÇÕES METABOLISMO / ENERGIA Fase I Fase II Fase III pericarpo Crescimento da plântula açúcar Emergência da raiz α amilase endosperma Mobilização de reservas RNA escutelo Transcrição e tradução de “novo” RNA-m Degradação RNA-m armazenado epicótilo DNA Divisão celular Gib Reparo DNA Síntese DNA Respiração, reparo e multiplicação mitocôndrios amido camada de aleurona radícula Embebição Embebição das sementes e alterações associadas à germinação (Bewley et al., 2013) ÁGUA 23 O PROCESSO DE GERMINAÇÃO O PROCESSO DE GERMINAÇÃO C) FASE III: CRESCIMENTO C) FASE III: CRESCIMENTO - Divisão e/ou expansão celular - Formação de plântula - Protrusão da raiz primária (ruptura do tegumento) - Novo impulso à embebição e atividade respiratória: sementes atingem > 65% de água FASES DA GERMINAÇÃO DO MILHO Epígea: mamona, cebola, feijão, pepino, abóbora, amendoim, soja, alface, café, algodão Hipógea: trigo, milho, cevada, arroz, fava seringueira, ervilha, Importância do tipo de germinação FASES DA GERMINAÇÃO DA SOJA folhas primárias epicótilo cotilédones folhas primárias coleoptilo hipocótilo endosperma r. seminais 7 – 8 dias raiz primária 24-48 h 2 - 4 dias 5 – 6 dias raiz primária 24 h tegumento 1-2d 3d 6d 8d 24 FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO INTRÍNSECOS Vitalidade x Viabilidade Situação da semente dormente Dormência Sanidade Genótipo Germinação (%) Germinação (%) Grau de maturidade Período de armazenamento (semanas) Dias após o início da frutificação Alterações na germinação de sementes de soja ‘Bragg’ durante a maturação (MARCOS FILHO) H - 55 Longevidade de sementes de duas linhagens de milho e de seu híbrido, quando armazenadas a 30 oC e 75% de umidade relativa (CHANG) 25 FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO FATORES DO AMBIENTE Água Amolecer o tegumento (cobertura) Aumento volume embrião e endosperma Favorecer digestão, mobilização, assimilação de reservas Crescimento da plântula Síntese de enzimas Respiração Permeabilidade do tegumento (cobertura) a trocas gasosas Estrutura das membranas Édila (UFLA) LIBERAÇÃO EXSUDADOS DURANTE A EMBEBIÇÃO - Sementes são sensíveis à hidratação rápida, especialmente sob temperaturas mais baixas e quando apresentam baixo grau de umidade e contato com substrato de potencial hídrico elevado Em ambiente úmido os fosfolipídios se arranjam em camada dupla, na qual as “caudas hidrofóbicas” ficam orientadas para o centro e os grupos polares hidrofílicos se orientam para o exterior CONSEQUÊNCIA: liberação de solutos até o restabelecimento da organização das membranas (grau de umidade: + 25%) Problema é menos grave quando as sementes passam por desidratação lenta durante a maturação Cristalino líquido Hexagonal Problema se acentua em sementes mais danificadas e deterioradas 26 LIBERAÇÃO EXSUDADOS DURANTE A EMBEBIÇÃO QUANTIDADE LIBERAÇÃO DE AÇÚCARES, ÁCIDOS ORGÂNICOS, AMINOÁCIDOS, ÍONS TEMPO Influência do teor de água de sementes de soja e do potencial hídrico sobre a liberação de exsudados (Rossetto et al.) Teor de Água (%) POTENCIAIS (MPa) PERÍODO (h) 9,0 11,0 13,0 - 0,04 2 (*) 6 12 11,5 9,2 7,2 8,4 6,5 4,9 5,1 5,9 4,0 - 0,2 2 6 12 10,9 7,0 5,0 7,0 4,9 4,5 4,4 4,4 2,8 REORGANIZAÇÃO DO SISTEMA DE MEMBRANAS CELULARES (*) Liberação de íons em µmho/cm/g Tratamentos PEG (MPa) Germinação 10oC Germinação 25oC 0,0 68 75 - 0,1 71 82 - 0,3 83 92 - 0,5 58 67 Efeitos da temperatura e da disponibilidade de água do substrato sobre a germinação de sementes de milho doce ‘sh-2’. (Chern e Sung) J. B. França Neto Plântulas originadas de sementes de soja expostas a embebição rápida 27 TOLERÂNCIA À DESSECAÇÃO Capacidade adquirida durante a segunda metade do período de acúmulo de matéria seca (etapa final do processo de desenvolvimento), quando as membranas se tornam organizadas III Teor de Água (%) Até que ponto a redução do suprimento de água ou a sua paralisação provocam prejuízos ainda recuperáveis ? II I 1 No início da germinação, as células do embrião mantém a capacidade de tolerar a dessecação. Qual é o estádio crítico ? TOLERÂNCIA À DESSECAÇÃO A protrusão da raiz primária, indicando a proximidade da etapa de divisões celulares, representa a fronteira entre a tolerância e a sensibilidade à dessecação, para a maioria das espécies cultivadas 2 3 4 Período de Embebição PADRÃO TRIFÁSICO DE ABSORÇÃO DE ÁGUA PELAS SEMENTES DURANTE A GERMINAÇÃO (Bewley & Black, 1978) Período de Embebição (horas) Grau de Umidade (%) Protrusão da Raiz Primária (%) Germinação Pós- Secagem (%) 0 11,0 00 88 6 25,0 00 87 12 28,7 00 91 18 32,5 00 92 24 33,4 00 87 28 34,2 20 86 30 34,8 30 82 32 35,7 36 77 Grau de umidade de sementes de milho hidratadas durante diferentes períodos e germinação após a secagem (Custódio et al., 1993) 28 TOLERÂNCIA À DESSECAÇÃO Mecanismos de tolerância à dessecação: - Presença de proteínas tipo LEA - Oligossacarídeos Ação: - Manutenção da capacidade de reparo do DNA - Prevenção da cristalização das membranas - Manutenção da estrutura das membranas SEMEADURA EM SOLO SECO FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO - Espécie Volume do eixo embrionário x tecido de reserva Emergência de plântulas (%) Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição 23,7oC 20oC 17oC escuro 80 60 claro 40 Composição química (reservas acumuladas) 8 Permeabilidade do tegumento (cobertura) 12 16 8 12 16 8 12 16 Grau de umidade das sementes (%) Relação entre o grau de umidade (%) e a emergência de plântulas (%) de dois cultivares de feijão com tegumento de coloração diferente. (Adaptado de Demir et al.) 29 FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição Colheita (dias após R8) - Temperatura - Potencial fisiológico Períodos de embebição 6 24 R8 99,97 134,64 6 100,65 136,53 12 100,80 134,66 18 103,31 134,13 24 104,44 132,56 30 103,40 130,23 36 107,05 127,26 42 107,87 126,29 Resultados de testes de embebição conduzidos com sementes de soja ‘UFV-1’, colhidas em diferentes épocas (Vieira et al.) Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição Disponibilidade de água Tamanho da semente Disponibilidade de água Afeta velocidade, percentagem e uniformidade ALGODÃO < -0,2 MPa menor velocidade < -0,4 MPa menor percentagem < -1,2 MPa não há emergência MILHO < -1,3 MPa não há emergência TRIGO < -0,8 MPa menor velocidade < -1,6 MPa não há emergência 30 Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição Disponibilidade de água SOJA (Sá) Disponibilidade de água Afeta velocidade, percentagem e uniformidade < -0,2 MPa < velocidade < -0,4 MPa < percentagem Relações com aeração < -0,8 MPa não há emergência Capacidade de campo: - 0,01 a -0,05 MPa Ponto de murcha permanente: -1,5 MPa Espécie Repolho Emergência de plântulas de soja, em dois tipos de solo com diferentes teores de água (PESKE) A) Barro areno-argiloso 14% -4,4; 16% -1,9; 20% -0,4; 22% -0,17 atm B) Barro arenoso 9% -1,1; 11% -0,48; 13% -0,21 atm Germinação (%) 7 Grau de umidade do solo (%) 8 9 11 14 16 18 93 0 80 94 92 93 91 86 Girassol 92 0 73 89 90 92 82 90 Milho doce 95 2 35 90 93 89 93 95 Melancia 86 1 39 82 83 87 85 85 Cebola 96 0 0 75 91 91 91 91 Feijão vagem 82 0 0 57 86 89 88 89 Alface 93 0 0 29 81 91 90 88 Ervilha 91 0 3 19 86 89 86 90 Aipo 80 0 0 0 29 62 73 82 Emergência de plântulas em solo argilo-arenoso com diferentes graus de umidade. Fonte: Popinigis (1977). (*) capacidade de campo = 16% de água; ponto de murchamento permanente = 9% de água 31 Fatores que afetam a velocidade e a intensidade de embebição Influência do teor de água das sementes e do potencial hídrico sobre a emergência de plântulas de soja, cv. IAC-15 (Rossetto et al., 1997) Disponibilidade de água LOTES POTENCIAIS (MPa) Afeta velocidade, percentagem e uniformidade Relações com aeração Capacidade de campo: - 0,01 a -0,05 MPa Ponto de murcha permanente: -1,5 MPa 1 Potencial fisiológico Teor de água da semente 2 POTENCIAL HÍDRICO (MPa) Teor de água (%) Cultivar Testem. 9,0 11,0 13,0 15,0 17,0 BR 232 84 79 85 88 90 92 Embrapa 48 50 58 70 79 73 74 Influência do teor de água de sementes de soja, no momento da semeadura, sobre a germinação (Toledo et al., 2010) 80 84 74 52 64 50 58 46 - 0,04 - 0,1 - 0,2 - 0,4 - 0,04 - 0,1 - 0,2 - 0,4 Germinação (%) Teor de Água (%) 9,0 11,0 13,0 Velocidade de Germinação 88 86 88 60 64 64 64 52 Comprimento Hipocótilo (cm) 96 90 92 72 86 80 88 60 Emergência (%) T NT T NT T NT T NT - 0,03 86 78 10,3 9,2 4,6 4,4 87 67 - 0,2 80 69 9,6 8,1 3,9 3,5 79 61 - 0,4 70 59 6,0 4,7 3,3 3,0 19 10 Efeitos da disponibilidade hídrica e tratamento fungicida sobre o desempenho de sementes de dois cultivares de soja (SÁ) Testemunha: grau de umidade + 7,2% 32 FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO FATORES DO AMBIENTE Temperatura Germinação seqüência ordenada de reações químicas Temperatura x atividade enzimática Afeta percentagem, velocidade e uniformidade Temperaturas cardeais e variações Sementes dormentes e deterioradas Temperatura e velocidade de germinação de sementes de couve-flor (GULLIVER & HEYDECKER, 1973) Temperaturas alternadas ESPÉCIE ÓTIMA MÍNIMA MÁXIMA Milho Quiabo Repolho Soja Tomate Trigo 32-35 30 30 32 25 15-31 9 15 5 8 10 4 44 40 35 40 40 43 Temperaturas cardeais (oC) para a germinação de sementes de algumas espécies cultivadas ESPÉCIE Abóbora Alface Arroz Aveia Beterraba Café Cebola Cenoura Cevada Ervilha ÓTIMA 30 20 33 19-27 30 32 20 25 19-27 25 MÍNIMA 15 2 11 4 5 10 10 5 4 5 MÁXIMA 38 30 41 40 35 41 35 35 40 30 Temperaturas cardeais (oC) para a germinação de sementes de algumas espécies cultivadas 33 FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO FATORES DO AMBIENTE Oxigênio Composição do ar → 20% O2 , 0,03% CO2 , 80% N Concentração de 10% O2 é suficiente Concentração > 0,03 % CO2 geralmente inibe Problemas Preparo e manejo do solo Encharcamento FATORES DO AMBIENTE Oxigênio G 100 e r 75 m i n 50 a ç ã 25 o (%) 15% 21% 10% 5% 3% 0 1 2 3 4 5 6 7 Tempo (dias) Período de germinação de sementes de tomate, a 25oC, em atmosfera contendo diferentes níveis de oxigênio (%). (Corbineau e Come) FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO FATORES DO AMBIENTE Luz Sementes pequenas e recém-colhidas: hortaliças, forrageiras; silvestres Não é fator imprescindível para as não dormentes Classificação Fotoblásticas positivas Fotoblásticas negativas Neutras ou não fotoblásticas Radiações promotoras: 660 a 700nm Radiações inibidoras: >700nm; < 440nm Mecanismo da ação da luz: pigmento responsável é o fitocromo, cromoproteína localizada no eixo embrionário Presente em duas formas: ativa (Fvd, Pvd ou P730) pico na região de 720-760 nm inativa (Fv, Pv ou P660) pico na região de 600-700 nm Vermelha FV inativa Fvd ativa Infra-vermelha OU Vermelho-distante OU Escuro Última exposição determina a forma do fitocromo que permanecerá em maior concentração 34 FATORES DO AMBIENTE Fotoblásticas positivas exigem concentração de Fvd superior a determinado limite Luz 100 Promoção “Disparo” do processo de germinação 50 Inibição 0 440 480 530 700 800 Relações entre radiações de comprimentos de onda específicos (nm) e a germinação de sementes de alface sensíveis à luz (Flint e McAllister, 1937 AÇÕES DA LUZ Promover controle respiratório Permeabilidade da cobertura ao oxigênio Ativação de enzimas Síntese de hormônios Metabolismo de lipídios Permeabilidade de membranas SUBSTITUTOS DA LUZ Remoção ou incisão nos tegumentos Baixas temperaturas (estratificação) Armazenamento em locais secos Aumento na tensão de oxigênio Giberelinas Síntese de hormônios Reinício da transcrição da mensagem genética Ação apenas em sementes embebidas FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO AGENTES QUÍMICOS Tiouréia Nitrato de potássio Água oxigenada Ácido sulfúrico Bioestimulantes 35 Tratam. Germin. Veloc. Compr. Raiz Compr. Envelhec. P. Aérea Frio 75 a Test 93 a 11,10 a 11,27 a 5,48 a 90 a 5 ml 88 a 11,02 ab 10,84 a 5,85 a 69 bcd 65 abc 10 ml 89 a 10,11 abc 11,18 a 6,48 a 75 bc 15 ml 86 a 10,38 abc 10,72 a 5,19 a 74 bcd 20 ml 87 a 5,94 a 61 d 9,42 c 10,48 a Germin. (%) Tratamentos L1 L2 Compr. Raiz (cm) L3 L1 L2 L3 Emerg. Pl. (%) L1 L2 L3 Test 98 91 87 14,1 13,4 11,6 90 86 86 2 m/kgl 94 88 87 15,1 13,5 12,9 85 87 85 50 cde 4 ml/kg 91 88 90 15,9 13,9 11,3 87 85 84 56 bcd 10 ml/kg 85 82 81 14,6 13,3 12,3 85 85 85 39 e Efeitos de tratamentos com diferentes doses de Stimulate® sobre o desempenho de sementes de milho híbrido AG-405 (Marcos Filho, 2004). FUNÇÕES DOS FITOHORMÔNIOS PROMOÇÃO, INIBIÇÃO OU ALTERAÇÃO QUALITATIVA DO DESENVOLVIMENTO Auxinas PERMEABILIDADE DAS MEMBRANAS CRESCIMENTO RAIZ PRIMÁRIA E CAULE EFEITOS ESTIMULANTES OU INIBITÓRIOS (dependendo da concentração) Citocininas TRADUÇÃO DA MENSAGEM GENÉTICA EFEITO SINERGÍSTICO COM A LUZ CONTRABALANÇAR EFEITOS DE INIBIDORES (Cumarina e ABA) SUPERAR DORMÊNCIA SECUNDÁRIA (temperatura alta e ausência de luz) ALTERAÇÃO DA PERMEABILIDADE DAS MEMBRANAS ESTÍMULO À DIVISÃO E ALONGAMENTO CELULAR Efeitos de tratamentos com diferentes doses de Stimulate® sobre o desempenho de três lotes de sementes de soja (Marcos Filho) FUNÇÕES DOS FITOHORMÔNIOS Giberelinas DIGESTÃO ESTÍMULO À SINTESE E ATIVIDADE DE ENZIMAS SUPERAR EXIGÊNCIAS DE LUZ OU DE BAIXAS TEMPERATURAS CRESCIMENTO DA PLÚMULA ALONGAMENTO CELULAR TRANSCRIÇÃO DO GENOMA REVERSÃO DE EFEITOS PROVOCADOS POR TEMPERATURAS E PRESSÕES OSMÓTICAS ELEVADAS ESTÍMULO À VELOCIDADE DE GERMINAÇÃO AMPLIAÇÃO DOS LIMITES DE TEMPERATURA ÓTIMA ATUAÇÃO NA SÍNTESE DE COMPONENTES ESSENCIAIS E NA FLEXIBILIDADE DAS MEMBRANAS 36 FUNÇÕES DOS FITOHORMÔNIOS ÉPOCA DE SEMEADURA Etileno AUMENTAR LIBERAÇÃO E MOVIMENTO DE ENZIMAS Cult. PERMEABILIDADE DA “COBERTURA” A GASES 1 FORMAÇÃO DA ALÇA HIPOCOTILEDONAR 2 ATENUAR A EXIGÊNCIA DE TEMPERATURA ESPECÍFICA INFLUÊNCIA NO EQUILÍBRIO PROMOTORES / INIBIDORES DA GERMINAÇÃO OUTROS FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO o ÉPOCA DE SEMEADURA o CONDIÇÕES CLIMÁTICAS DURANTE A PRODUÇÃO o FERTILIDADE DO SOLO E ADUBAÇÃO o MOMENTO DE COLHEITA o MÉTODO DE COLHEITA Época Emerg (%) C Envelhecimento (%) Tetrazólio 6-8* (%) E1C E2C E1V E2V E1C E2C E1V E2V E1C E2C E1V E2V 88 61 91 87 92 68 88 84 62 26 02 05 11 28 96 95 96 93 97 95 94 96 93 95 01 03 00 01 S1 87 57 93 80 84 56 95 91 56 19 04 14 11 31 S2 93 93 95 94 96 95 95 97 90 91 00 01 00 01 S1 S2 V Germinação (%) Valores médios referentes ao potencial fisiológico de sementes de quatro cultivares precoces de soja, em função de épocas e locais de semeadura (Medina et al. ) S1: novembro; S2: março/abril E1: maio (semeadura S1) e agosto (semeadura S2); E2: novembro, após armazenamento em ambiente normal OUTROS FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO o ÉPOCA DE SEMEADURA o CONDIÇÕES CLIMÁTICAS DURANTE A PRODUÇÃO o FERTILIDADE DO SOLO E ADUBAÇÃO o MOMENTO DE COLHEITA o MÉTODO DE COLHEITA o INJÚRIAS MECÂNICAS 37 OUTROS FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO GERMIN.(%) o ÉPOCA DE SEMEADURA HORA DA COLHEITA GRAU DE UMIDADE(%) DANOS (%) MANHÃ 14,6 1,87 96 87 o FERTILIDADE DO SOLO E ADUBAÇÃO TARDE 13,5 13,50 54 56 o MOMENTO DE COLHEITA Intactos Danif. o CONDIÇÕES CLIMÁTICAS DURANTE A PRODUÇÃO o MÉTODO DE COLHEITA Influência do momento de colheita sobre a ocorrência de injúrias mecânicas em sementes de soja Fonte: Sedyiama et al. OUTROS FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO o ÉPOCA DE SEMEADURA o CONDIÇÕES CLIMÁTICAS DURANTE A PRODUÇÃO o FERTILIDADE DO SOLO E ADUBAÇÃO o MOMENTO DE COLHEITA o MÉTODO DE COLHEITA o INJÚRIAS MECÂNICAS o SECAGEM o BENEFICIAMENTO o INJÚRIAS MECÂNICAS o SECAGEM OUTROS FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO o ÉPOCA DE SEMEADURA o CONDIÇÕES CLIMÁTICAS DURANTE A PRODUÇÃO o FERTILIDADE DO SOLO E ADUBAÇÃO o MOMENTO DE COLHEITA o MÉTODO DE COLHEITA o INJÚRIAS MECÂNICAS o SECAGEM o BENEFICIAMENTO o CONDIÇÕES DE ARMAZENAMENTO o MICRORGANISMOS o INSETOS o TRATAMENTO QUÍMICO 38 INTENSIDADE DE RESPOSTA OUTROS FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO 1 3 2 4 NÍVEIS DE VIGOR 1. ALTO POT. FISIOL : SEMENTES PRATICAMENTE NÃO RESPONDEM AO TRATAMENTO 2. POT. FISIOL. MÉDIO / ALTO: RESPOSTA É TANTO MAIOR QUANTO MENOR FOR O POT. FISIOL. DAS SEMENTES 3. POT. FISIOL MÉDIO / BAIXO: RESPOSTA DIMINUI À MEDIDA QUE DECRESCE O POT. FISIOL DAS SEMENTES 4. BAIXO POT. FISIOL: NÃO HÁ REAÇÃO AO TRATAMENTO ADAPTADO DE CARVALHO E NAKAGAWA Embalagem Polietileno Papel Pano Parâmetro o ÉPOCA DE SEMEADURA o CONDIÇÕES CLIMÁTICAS DURANTE A PRODUÇÃO o FERTILIDADE DO SOLO E ADUBAÇÃO o MOMENTO DE COLHEITA o MÉTODO DE COLHEITA o INJÚRIAS MECÂNICAS o SECAGEM o BENEFICIAMENTO o CONDIÇÕES DE ARMAZENAMENTO o MICRORGANISMOS o INSETOS o TRATAMENTO QUÍMICO o HERBICIDAS E DESSECANTES o EMBALAGEM Armazenamento (meses) 0 2 4 8 16 18 Germinação (%) 99 98 99 99 96 81 Teor de água (%) 8,5 8,6 9,1 9,8 12,0 11,2 Germinação (%) 99 30 01 Teor de água (%) 8,5 16,7 15,1 Germinação (%) 99 46 02 Teor de água (%) 8,5 16,0 17,6 Germinação e grau de umidade de sementes de milho armazenadas em diferentes tipos de embalagem a 30oC e 85% de umidade relativa do ar (Baskin) 39
