Regula

1
Regulação do crescimento por fatores ambientais

• Fisiologia Vegetal Avançada
• 2006

2
Principais fatores ambientais que afetam o
crescimento vegetal

• Luz
• Temperatura
• Alta
• Baixa
• Disponibilidade de água
• Salinidade
• Gases
• Oxigênio
• Gás carbônico

3
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

4
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)

5
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.
6
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)

7
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

8
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

9
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

10
O fitocromo estrutura molecular

• 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 fitocromo é formado por duas subunidades
protéicas de 125kDa que que estão ligadas entre
si.
11
O cromóforo
Forma ativa
A
D
B
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

Forma inativa
A
B
C
D
Cys
12
Biossíntese do cromóforo

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

Fitocromo
13
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
Forma ativa
660 nm
730 nm
Conversão lenta no escuro
Destruição enzimática
Biossíntese
14
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
15
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

16
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)

17
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

18
Fotoperiodismo e floração
Plantas de dia curto (noite longa)
Plantas de dia longo (noite curta)
Florescem no final da primavera ou início do verão
Florescem no final do verão ou durante o outono
19
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

20
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

21
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.
22
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
ESCURO
LUZ
O último pulso de luz determina a resposta da
semente
O fitocromo é o pigmento envolvido na percepção
da luz pela semente
23
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

24
Fotomorfogênese genes envolvidos
25
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.

26
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

27
Fitocromo Modelo geral de ação
LUZ
Transdução de sinal (fosforilação ?)
FITOCROMO Forma inativa
FITOCROMO Forma Ativa
Proteínas intermediárias
Resposta Fisiológica
28
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

29
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

30
Vernalização um modelo
31
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

32
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

33
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

34
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

35
Disponibilidade de água
36
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

37
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

38
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

39
Fechamento estomático

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

40
ABA e stress hídrico
41
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

42
Tolerância à salinidade
43
Tolerância à salinidade e expressão gênica
44
Tolerância à salinidade comparação
45
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

46
Efeitos do alagamento visão geral
47
FIM