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)

• 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: Quantidade

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• 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.

O cromóforo

• 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 ativa

A

B CD

Forma inativa

A

B C D

Cys

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.

660 nm

730 nm

Conversão lenta no escuro

Respostas biológicas: germinação

de sementes, abertura de estômatos,

floração

Forma ativa

Destruição enzimáticaBiossíntese

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 da primavera ou início do verão

Florescem no final do verão ou durante o outono

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

ESCUROLUZ ESCURO + 660 nm

ESCURO + 660 nm

+ 730nm

ESCURO + 660 nm

+ 730nm + 600nm

ESCURO + 660 nm + 730 nm + 660

nm + 730 nm

SEMENTES FOTOBLÁSTICAS POSITIVAS

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

FITOCROMO

Forma inativa

FITOCROMO

Forma Ativa

Transdução de sinal

(fosforilação ?)

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