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FISIOLOGIA DE SEMENTES INTRODUÇÃO
Julio Marcos Filho
Tecnologia de Sementes
Depto. Produção Vegetal – USP/ESALQ
SEMENTE
- Desempenha importante função biológica +importância para a produtividade agrícola+ usos diretos e indiretos
- Estrutura biológica complexa, contendo umaplanta em miniatura acompanhada porsubstâncias de reserva e protegida por umacobertura (tegumento e/ou partes do fruto)
MEIO DE SOBREVIVÊNCIA PARA A ESPÉCIE
IMPORTÂNCIA DAS SEMENTES
Resistem a condições de ambiente,fatais à planta-mãe e a materiais depropagação
MEIO DE SOBREVIVÊNCIA PARA A ESPÉCIE
- Toleram a dessecação
- Dormênciadistribuição da germinação
no tempo
- Dispersão distribuição da germinação no espaço
GARANTIA DA CONTINUIDADE DA
SUCESSÃO DE GERAÇÕES
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MEIO DE SOBREVIVÊNCIA PARA A ESPÉCIE
Sementes apresentam grande diversidade deformas e de tamanhos
- Tamanhos médios, em geral- Árvores: 328 mg- Arbustos: 69 mg- Plantas herbáceas: 07 mg
O número de sementes produzidas pela plantageralmente tem relação inversa com o seutamanho
Semente de Coco-do-Mar (double coconut palm): pode atingir 25 kg
MEIO DE SOBREVIVÊNCIA PARA A ESPÉCIE
Menores MaioresPlantas produzem maior númerode sementes
Plantas produzem número relativamentepequeno de sementes
Fácil dispersão pelo vento,disseminação ampla
Dispersão limitada, apenas comauxílio externo (homem, animais)
Germinam quando situadaspróximo à superfície do solo
Podem ser enterradas no solo egerminar sob maiores profundidades
Podem ser consumidas pororganismos no solo (insetos,pequenos animais)
Mais protegidas do ataque deorganismos predadores
Tamanho de sementes
ALIMENTOS E PRODUTOS ESSENCIAIS
- Sementes contribuem significativamente para a dieta humana, em proporções variáveis, de acordo com a região considerada
- Dez dos vinte e dois alimentos mais importantes de origemanimal e vegetal correspondem a culturas produtoras degrãos (sementes)
- Três (milho, arroz e trigo) dos dez produtos mais importantes, com base na quantidade disponível de alimentos, são cereais, representando aproximadamente 75% do suprimento mundial de alimentos.
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ALIMENTOS E PRODUTOS ESSENCIAIS
- Espécies produtoras de sementes representam númerorelativamente pequeno de famílias, predominando asPoáceas (gramíneas) e as Fabáceas (leguminosas).
- Cereais: sementes ricas de amido (teor superior a 60%) eteor relativamente baixo de proteínas (inferior a 13,0%).
- Leguminosas: concentrações mais elevadas de proteínas(próximos de 40%), teores intermediários de amido e,geralmente, baixos de lipídios
- Oleaginosas: geralmente, teores elevados de lipídios (29 a54%) e de proteínas (próximos de 20%)
Aproximadamente 90 % dos grãos produzidos no mundo: cereais, predominando trigo, milho e arroz que representam a base alimentar de inúmeros países.
Cereais e leguminosas prevalecem na dieta humana emregiões da Ásia e da África, mas esse valor situa-se emtorno de 30%, em países mais desenvolvidos, onde osgrãos são convertidos em carne, leite, ovos e vários outrosprodutos.
ALIMENTOS E PRODUTOS ESSENCIAIS
PRODUTOS ESSENCIAIS
Matérias primas para a produção de vários artigos
essenciais ou materiais de multiplicação de plantas
importantes para a produção deóleos comestíveis, roupas, bebidas, substâncias
medicinais, madeira, papel, bioplástico, sabões,detergentes, vernizes, combustíveis e vários outrosprodutos
MULTIPLICAÇÃO DE PLANTAS
+ 350.000 espécies descritas
+ 250.000 multiplicadas por sementes
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Semente centro das alterações planejadas pelos melhoristas
MELHORAMENTO DE PLANTAS
Mecanismo mais rápido e eficiente para difusão de novos cultivares
Conservação de germoplasmas: manutenção de genes para intercâmbio
Semente veículo dos avanços da genética Produção de milho (bu/acre) nos EUA, destacando-se os períodos dominados por cultivares de polinização aberta, híbridos duplos e híbridos simples (Crow, 1998).
Contreras
A SEMENTE COMO INSUMO AGRÍCOLA
Início da Agricultura na região dos rios Tigre e Eufrates, aproximadamente 12.000 A.C.
A SEMENTE COMO INSUMO AGRÍCOLA
Na época, descoberta de progenitores selvagens detrigo, cevada, linho, grão de bico, ervilha, lentilha,ervilhaca
Aproveitamento da água dos rios mediante a escavação de canais para irrigação
Formas selvagens (progenitores) das espécies quemais interessavam: domesticadas gradativamentepara atender as necessidades da humanidade
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A SEMENTE COMO INSUMO AGRÍCOLA
ALGUMAS CONSEQUÊNCIAS DA DOMESTICAÇÃO:
- Perda da eficiência de mecanismos de dispersão (degrana, deiscência)
- Redução ou perda completa da dormência- Redução do ciclo de várias espécies. Exemplo: arroz
perene para anual- Aumento no tamanho das inflorescências, das sementes,
número de flores/planta
- Redução de exigências climáticas (Ex: fotoperíodo)
- Aprimoramento dos métodos de melhoramento
34
56
7
Evolução da população mundial a partir de 1950 U.S. Census Bureau – www.census.gov (2013)
Popu
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Anos
10?
A SEMENTE COMO INSUMO AGRÍCOLA
CRESCIMENTO DA POPULAÇÃO MUNDIAL E NECESSIDADE DE APRIMORAR TECNOLOGIA DE
PRODUÇÃO
Produção / área = cultivar + técnica cultural + insumos
CulturaPosição no
Mundo(1.000 t))
Produtiv. Mundial (kg/ha)
Maior Produtiv. (kg/ha) e País
Produtiv. Brasileira
(kg/ha)
Maior Produtiv. Estadual (kg/ha)
Algodão 5o (3,195) 1.516 4.713 (Síria) 3.597 (12o) 4.836 (MA)Arroz 9o (13,477) 4.404 9.567 (Egito) 4.896 (29o) 7.485 (SC)Café 1o (2,700) 791 2.412 (S. Leoa) 1.257 (8o) 2.400 (GO)Feijão 1o (3,435) 796 5.600 (Irlanda) 935 (61o) 2.925 (DF)Milho 3o (55,660) 5.185 9.803 (Itállia) 4.210 (55o) 6.740 (GO)Soja 2o (74,815) 2.533 3.870 (Turquia) 3.121 (3o) 3.042 (TO)Sorgo 9o (1.931) 1.527 6.923 (Turquia) 2.550 (31o) 4.660 (DF)Trigo 21o (5.690) 3.195 9.861 (Irlanda) 2.661 (551o) 5.708 (DF)
Produção e produtividade brasileira e mundial selecionadas de seis culturas de expressão econômica, em 2011.
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Área cultivada, produção total e produtividade de grãos no Brasil, período 1991/2009 .Fonte: Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB/MAPA)
- Houve elevação consistente da produção nacional de grãos, sem variaçõesconsideráveis da área cultivada, refletindo o crescimento da produtividade e aeficiência da agricultura.
Área (milhões ha)
Produção (milhões t)
Produtividade (kg/ha)
Anos
Milh
ões
(t
ou
ha)
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
4.000
4.500
5.000
Algodão Arroz Feijão Milho Soja Trigo
Prod
utiv
idad
e (k
g/ha
)
Culturas
1991 a 1993
2002 a 2004
2008 a 2010
2012
Evolução da produtividade brasileira (kg/ha) de seis culturas de economicamenteimportantes, no período 1991/2012.
Fontes: Companhia Nacional de Abastecimento (CONAB/MAPA); Instituto Brasileiro deGeografia e Estatística
Cultura 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011/12
Algodão 49 49 44 44 44 44 55
Arroz 43 43 45 40 47 42 51
Feijão 13 15 13 11 11 11 18
Milho 85 85 83 83 84 84 91
Soja 50 50 54 61 64 64 67
Trigo 71 71 66 72 72 72 71
Taxas de utilização de sementes selecionadas de algumasculturas de expressão econômica, no Brasil(ABRASEM)
Taxas de utilização de sementes de soja, safra 2007/08
Fonte: ABRASEM e CONAB (2008), adaptado por Pádua (2008)
França Neto, 2009
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Produção/área e taxas de utilização de sementes de soja, safra 2009/10
Fonte: ABRASEM e CONAB. Baseado em Pádua (2008) Milho 2011
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
8.000
RS PR GO MT MS SP SC
Pro
du
tivi
dad
e (k
g/h
a)
Estados
Produtividade
97%
91%
88%
87%
88% 85%82%
Uso de sementes
Trigo 2010
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
4.000
4.500
RS PR GO MS SP SC
Uso
de
sem
ente
s (%
)
Pro
du
tivi
dad
e (k
g/h
a)
Estados
Produtividade
Uso de sementes
72%
45%
70%
70%
80%
70%
Comparação entre potencial fisiológico (G, TZ e EM) de sementes“próprias” e comerciais de soja, no depósito da semeadoraVillas Bôas e Peske (2007)
Porcentagem (Frequência de Lotes)
Porc
enta
gem
(Ger
min
ação
, Via
bilid
ade
TZ 1
-5, V
igor
TZ
1-3
e Em
ergê
ncia
de
Plân
tula
s)
8
À medida que se verifica o refinamento dosprogramas de melhoramento genético,cresce a demanda por sementes comatributos diferenciados de qualidade edesempenho de alta eficiência
O desenvolvimento de procedimentoseficientes para a produção, processa-mento e avaliação da qualidade dassementes somente pode ser concretizadoquando estiver apoiado em conhecimentosuficiente dos processos vitais dassementes, dos fatores que os afetam e desuas relações com o desempenho após asemeadura e durante o armazenamento
Estudo dos processos vitais das sementes,
com relação às suas funções e desempenho
(maturação, germinação, dormência, deteriora-
ção, vigor), sob ampla diversidade de
condições de ambiente (planta-mãe, solo,
processamento, armazém).
FISIOLOGIA DE SEMENTESAtividades do Fisiologista de Sementes
Trabalho conjunto com o melhorista
Assessoramento da produção de sementes
Assessoramento do beneficiamento
Assessoramento da secagem e armazenamento
Avaliação da eficiência de produtos químicos
Gerenciamento de programas de controle de qualidade
Avaliação da conveniência e gerenciamento de tratamento de sementes: produtos e processos
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A EVOLUÇÃO DO CONHECIMENTO
Primeiro contato homem / fisiologia de sementes: estabelecimento da Agricultura
Euforia x conseqüências imediatas
Cultura egípcia: sementes símbolo do recomeço, do retorno à vida após a morte
Evenari (1980, 1981)
- Teofrasto (IV A.C.): pai da Fisiologia de Sementes (381-287 A.C.)
- Estudos sobre transferência de matéria seca planta / semente
- Fatores que afetam a germinação- Coordenação de estudos sobre dormência, arma-
zenamento, pré-embebição para a germinação,relações maturação/germinação
PROCESSO OU CARACTERÍSTICA TEOFRASTO PLÍNIO- Armazenamento de reservas na semente *** ---
- Efeitos benéficos da secagem --- ***
- Efeitos do ambiente durante a maturação *** ---
- Pericarpo e tegumento das sementes *** ---
- Impermeabilidade do tegumento em leguminosas *** ---
- Aspectos da dispersão *** ---
- Efeitos da água, temperatura, idade na germinação *** ---
- Comportamento de diferentes espécies quanto à germinação
*** ---
- Diferenças na longevidade *** ***
- Velocidade de germinação *** ***
- Embebição (condicionamento?) de sementes *** ---
- Tamanho de sementes x produtividade *** ---
- Zoocoria (passagem de sementes pelo trato intestinal) *** ***
- Peletização --- ***
- Tratamento contra organismos nocivos --- ***
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Evenari (1980, 1981)
- Documentação sistemática apenas após o século XVII
Problemas de comunicaçãoGuerrasPerdas de documentos valiososInfluência da IgrejaInfluência da Política
- Século XVII:1654: longevidade de sementes de floríferas
(Laurenberg)
- Século XIX: primeiras pesquisas sobre polinização,fertilização, embriogênese e formação doendosperma
- Sachs (1859/1862): Pai da moderna Fisiologia deSementes: pesquisas sobre as relações entretemperatura e germinação, temperaturas cardeais,acúmulo de matéria seca durante a maturação emobilização durante a germinação, período de latênciapós-maturidade e eventos bioquímicos característicosda germinação
- Nobbe (1860): início da Análise de Sementes eprimeiro livro sobre o assunto
- Final do século XIX e início do XX: publicação devários artigos sobre germinação e desenvolvimentode plântulas, impermeabilidade do tegumento, efeitosde temperaturas alternadas, de promotores einibidores da germinação
- Flint e Mc Allister (1935 / 1937): relações entreradiações luminosas e germinação
- Revisões sobre deterioração de sementes:Crocker, em 1938 e 1948
Marco histórico em 1950: despertar da atenção para o vigor de sementes
Anos 1960 e 1970:- Vigor- Maturação- Germinação- Dormência
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Anos 1980 e 1990- Condicionamento fisiológico- Efeitos de estresses ambientais- Tolerância à dessecação, estado vítreo- Bioquímica da germinação e deterioração- Sementes recalcitrantes- Vigor de sementes
Atualmente- Desempenho de sementes: diferentes aspectos- Análise de imagens de sementes e de plântulas- Técnicas de Biologia Molecular- Conservação de germoplasmas- Expressão de genes: genômica, proteômica,
transcriptômica, metabolômica, microarranjos
GENESCarregam as instruções fundamentais paragerenciar o desenvolvimento organizado deuma planta
A Fisiologia Vegetal e a Fisiologia de Sementesprocuram esclarecer como os produtos de umou mais genes se manifestam para expressar opadrão de desenvolvimento e como o ambienteafeta esse processo
Não é mais possível ignorar as relações Fisiologia de Sementes x Biologia Molecular
GenômicaEstudo do genoma completo, envolvendo o
seqüenciamento e mapeamento genético, além das
interações e expressões de genes
TranscriptômicaEstudo do da porção transcrita do genoma ou a análise
do conjunto de todo o RNAm transcrito, que pode ser
alterado com o tempo ou etapa do desenvolvimento.
Transcriptoma: fração do DNA que está sendo transcrita em RNAm num determinado momento.
ProteômicaEstudo completo das proteínas produzidas por uma célulaou organismo num determinado momento ou sob condiçãoespecífica (RNA-m é traduzido em proteínas)
MetabolômicaEstudo completo do conjunto de atividades metabólicas oude moléculas menores (metabólitos intermediários, produtossecundários, hormônios, etc) realizadas numa célula ouorganismo
QTLCaracteres definidos associados a regiões específicas dogenoma e que podem ser controlados por loci múltiplos.Marcadores moleculares têm permitido a identificação
precisa de QTL de caracteres muito importantes em plantas.
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Estudos de genômica, transcriptômica, proteômica, metabolômica permitem, entre outros aspectos:
Identificar funções e interações de genes e proteínas
Associar genes a fenótipos pré-determinados
Determinar consequências fenotípicas de alterações em genes
Selecionar genes de interesse para programas de melhoramento e controlar sua expressão
É muito importante sequenciar e identificar a função de cada gene
A combinação dos segmentos da tecnologia “ômica”com os conhecimentos de Genética e de Fisiologia devemconduzir à identificação de genes, proteínas, metabólitos edos respectivos mecanismos reguladores que controlam amanifestações dos diferentes componentes da qualidadedas sementes
Podem, também, constituir marcadores para caracterizarcomponentes da qualidade, utilizáveis para selecionar ferramentas para programas de melhoramento vegetal; monitorar programas de controle de qualidade; aprimorar a qualidade das sementes mediante modificações do genótipo.
EXPRESSÃO DE GENES - Exemplos: etapas e peculiaridades do desenvolvimento
das sementesmecanismo genético do controle do tamanho
da sementecontrole da apomixiacontrole da dormência: indução e superaçãotolerância a estresses e à dessecaçãomanifestação do vigortermotolerância e longevidadeotimização de tratamentos condicionadores
MICROARRANJOS
Técnica Experimental da Biologia Molecularque busca medir níveis de expressão transcritaem larga escala, ou seja, que permite o examesimultâneo da expressão de milhares de genes
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E.g. arranjo em Arabidopsis ATH1, representando 24.000 genes (Henk Hilhorst)
Ferramentas da bioinformática são necessáriaspara analisar e comparar a expressão depadrões.
Spencer, M. W.B., et al. Plant Physiol. 2007;143:924-940
Alterações em transcriptomas durante o desenvolvimento desementes (estádios embrionários globular, coração e torpedo)nas regiões apical (A) e basal (B)
A
B
Pesquisa no Brasil
- Oliveira e França Neto (1998):Não há registros de publicações sobre sementesno Brasil, durante o século XIX
Pesquisa no Brasil
- Primeiro artigo:Min. Agric. (1911) “Plantas e sementes: informa-ções práticas sobre a cultura do milho, cujo nome nasciencia é Zea mays”
- Primeira metade do século XX:Esforços individuais de poucos pesquisadores
- Meados dos anos 1960:Evolução com programas no exterior (Mississippi)
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EVENTO ANO LOCAL Nº TRABALHOS
Seminários Brasileiros de Sementes
I SBS 1967 Viçosa, MG 21
II SBS 1968 Pelotas, RS 49
III SBS 1970 Recife, PE 47
IV SBS 1973 Fortaleza, CE 31
Subtotal -- -- 148
Relação dos Seminários e dos Congressos Brasileiros de Sementes ocorridos no Brasil entre 1967 e 2009
França Neto, 2009
Congressos Brasileiros de Sementes (ABRATES)I CBS 1979 Curitiba, PR 119II CBS 1981 Recife, PE 120III CBS 1983 Campinas, SP 154IV CBS 1985 Brasília, DF 214V CBS 1987 Gramado, RS 191VI CBS 1989 Brasília, DF 142VII CBS 1991 Campo Grande, MS 203VIII CBS 1993 Foz do Iguaçu, PR 286IX CBS 1995 Florianópolis, SC 368X CBS 1997 Foz do Iguaçu, PR 454XI CBS 1999 Foz do Iguaçu, PR 368XII CBS 2001 Curitiba, PR 558XII CBS 2003 Gramado, RS 816XIV CBS 2005 Foz do Iguaçu, PR 684XV CBS 2007 Foz do Iguaçu, PR 3161
XVI CBS 2009 Curitiba, PR 978XVII CBS 2011 Natal, RN 1.657
Subtotal -- -- 7.628TOTAL -- -- 7.776
1. Inclui Simpósio da ISTA França Neto, 2009
Pesquisa no Brasil
- Participação brasileira em Congressos da ISTA,a partir de 1992:
Argentina (1992) 12%Dinamarca (1995) 12%África do Sul (1998) 16%França (2001) 25% (2o)Hungria (2004) 22% (1o)Foz do Iguaçú (2007) 42,8% (1o)Alemanha (2010) 31% (1o)Turquia (2013) 22,4% (1o)
TEMAS Congresso 26 Angers, 2001
Congresso 27 Budapest, 2004
Congresso 28 Iguaçu, 2007
Congresso 29Colônia, 2010
Produção 11,9% (‡) 15,4% 7,2 % 9,6%
Fisiologia 30,6% 33,6% 30,0% 28,7%
Análise 26,0% 28,7% 25,0% 27,2%
Patologia 17,4% 12,6% 14,2% 12,5%
Secagem e Armaz. 6,4% 3,8% 15,9% 11,0%
Outros 7,7% 5,9% 7,7% 11,0%
No de trabalhos 219 286 391 136
(‡) Comparações dentro de cada linha: símbolos indicam acréscimos () oudecréscimos () de percentagens referentes a simpósios subseqüentes, dentro decada tema.
Distribuição percentual de trabalhos, de acordo com as principais áreas de pesquisa, em Simpósios ISTA, de 1998 a 2010.
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Pesquisa Internacional
- Temas predominantes, no momento:Germinação, Maturação, Vigor, CondicionamentoFisiológico, Recalcitrantes, Tolerância à Dessecação,Aplicações da Biologia Molecular, Análise de Imagens,Conservação de Recursos Genéticos, Mecanismos deExpressão Gênica, Controle Biológico de Patógenos,Relações entre Proteínas e Processos Biológicos,Produção de Sementes Orgânicas
- Espécies: grandes culturas e, em menor escala,hortaliças, forrageiras e florestais
Carência: floríferas, frutíferas, nativas, medicinais
AS INCORPORAÇÕES DE NOVOS
CONHECIMENTOS E DE TÉCNICAS
DESENVOLVIDAS PELA PESQUISA
(Biologia Molecular, Bioquímica, Biofísica)
ACENTUA A NECESSIDADE DA EVOLUÇÃO
DA EFICIÊNCIA DOS PROCEDIMENTOS
ADOTADOS NAS DIFERENTES ETAPAS DE
UM SISTEMA DE PRODUÇÃO DE SEMENTES
NECESSIDADE DO APRIMORAMENTO PERMANENTE
DA COMPETÊNCIA DOS PROFISSIONAIS DEDICADOS À PESQUISA E TECNOLOGIA DE
SEMENTES
CONSEQUÊNCIA:A pesquisa com sementes tem percorrido longo
caminho e têm ocorrido acúmulo muitosignificativo do conhecimento com o decorrer dotempo
CONCLUSÃO
Embora a pesquisa acadêmica seja fundamental, osestudos devem focalizar as necessidades daindústria de sementes, dos tecnologistas desementes e produtores rurais para assegurar que apesquisa continue dinâmica e possa contribuir paraa solução de problemas fundamentais.
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