Embriogênese e germinação de sementes

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
PÓLO AVANÇADO DE XERÉM
GRADUAÇÃO EM BIOTECNOLOGIA
CURSO FISIOLOGIA VEGETAL(XBT355)
TURMA 2015/2
Embriogênese e germinação
de sementes
Prof. Dr. Silas Pessini Rodrigues
Rio de Janeiro,
27 de outubro de 2015
Plantas são organismo sésseis, autotróficos e
possuem padrões de crescimento flexíveis
www.naturaltreesolutions.com
Fases do desenvolvimento vegetal
1)  Embriogênese
2)  Fase vegetativa
3)  Fase reprodutiva
Huijser, P. & Schmid, M. The control of developmental phase transitions in plants. Development 138(19): 4117-29, 2011
Conteúdo da aula
1) Fases da embriogênese
2) Desenvolvimento da polaridade (apical-basal vs. radial)
3) Principais hormônios e genes envolvidos
4) Estabelecimento dos meristemas e manutencão do
crescimento indeterminado
5) Germinação de sementes
6) Principais estruturas iniciais da planta
Fecundação da oosfera da flor: a etapa que
antecede a embriogênese
www.casadasciencias.or
Maturação de sementes: três grandes etapas 1)  Fase de divisão celular e maturação de tecidos • 
• 
• 
• 
Divisão das células do zigoto Diferenciação de tecidos Zigoto passa por embriogênese Proliferação do endosperma 2)  Acúmulo de reservas • 
• 
Parada na divisão celular Acúmulo de substâncias de reserva (amido, proteínas e lipídeos) 3)  Preparação para períodos longos de espera •  Tolerância à dissecação Ortodoxas à tolerantes à dissercação Recalcitrantes à não tolerantes à perda de água •  Sementes quiecentes à de metabolismo muito baixo, uma consequência da desidratação •  Sementes dormentes à precisam de um tratamento ou sinal para germinarem. A embriogênese
tem cinco fases
1)
2) 3) 4) 5) Adaptado: Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5th Ed. and
Goodrich, J. Plant development: Medea's maternal instinct. Current Biology, R480–R484, 1998.
Os órgãos da planta se originam de regiões
específicas no embrião
Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5th Ed. Fig. 16.4 pagina 458 Tipos de polaridade Apical-­‐basal Radial Teorias que explicam o estabelecimento do
padrão de desenvolvimento
1) Dependente da linhagem celular
2) Dependente da posição celular à mais
aceita e fácil de ser provada
Morfógeno: moléculas cuja síntese,
transporte e reciclagem geram um
gradiente de concetração; desencadeiam
respostas dose-dependentes
Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5th Ed. Auxina é o morfógeno mais importante
em plantas
IAA: ácido indol-3-acético
Auxina natural mais abundante e ativa
+ ácido trans-cinâmico
Flavonóide que reduz o transporte de auxina
controle
Adaptado:
Liu C, Xu Z, Chua NH, Auxin Polar Transport Is Essential for the Establishment of Bilateral Symmetry during Early Plant Embryogenesis. The Plant Cell, 5 (6): 621-630, 1993.
Transporte de auxina:
Modelo quimio-osmótico
Citoplasma tem pH ~7,0 IAA = IAA-­‐ Parede celular tem pH ~5,0 IAA = IAAH Forma protonada cruza a membrana plasmáVca, enquanto que a forma desprotonada fica reVda no citoplasma Adaptado: Robert, H.S., and Friml, J. Auxin and other signals on the move in plants. Nat. Chem. Biol. 5: 325-332, 2009.
Transporte direcional de auxina utiliza
proteínas carreadoras
ABCB
AUX1/LAX: auxiliam na
entrada de auxina protonada
na célula
ABCB: distribuidos em de
forma mais homogênea na
célula
Proteínas PIN: transporte
direcional de IAA
Adaptado: Robert, H.S., and Friml, J. Auxin and other signals on the move in plants. Nat. Chem. Biol. 5: 325-332, 2009.
Direção do movimento de auxina no embrião
conferida por proteínas PIN
Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5th Ed. Fig 16.8, página: 462. Genes essenciais para o estabelecimento do
padrão apical-basal
A)  Arabidopsis selvagem
B)  GURKE: codifica Acetil-CoA carboxilase –síntese de ácidos graxos
de cadeia longa e esfingolipideos—mutante falta cotiledone e
meristema apical
C)  FACKEL: codifica uma esterol-C4-redutase—sintese de esterois—
mutante tem pouco desenvolvimento do hipocotilo
D)  MONOPTERO: codifica fatores de resposta a aux (ARFs=auxin
response factors)—mutante falta raiz
E)  GNOM: codifica fator de troca de guanidina nucleotideo—afeta
transporte de vesiculas que carregam proteínas PIN—falta parte
superior e inferior do embrião.
Adaptado:
Mayer, U. et al., Mutations affecting body organization in the Arabidopsis embryo 353, 402 – 407, Nature, 1991.
Genes essenciais para o estabelecimento do
padrão radial
A)  SCARECROW (SCR) – Fator de
transcrição
B)  SHORT-ROOT (SHR)—Fator de
transcrição ---SCR e SHR—
interagem pra controlar
desenvolvimento do córtex e
endoderme.
C)  WOODEN LED (WOL)—codifica
receptores de citocinas—
fundamental para formar xilema e
floema –sinônimo (CYTOCININ
RESPONSE 1)
Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5th Ed. Fig 16.13, página: 466. Fatores de transcição gênica se movimentam para
células diferentes ao longo do desenvolvimento
INDUÇÃO Tecidos adjacentes desencadeiam processos de desenvolvimento. INDUTORES 1) Hormonios e 2) FT MOVIMENTAÇÃO 1) passivamente, 2) receptores superficiais (Ex.: PIN) 3) plasmodesmas (macromoleculas (TF ou mRNA) Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5th Ed. Fig 16.14, página: 467. Plasmodesmas controlam o tráfego de
moléculas entre as células
Kim, I, Subdomains for transport via plasmodesmata corresponding to the apical-basal axis are established during Arabidopsis embryogenesis. PNAS, 102(33):11945-50, 2005.
e adaptado: Taiz, L. & Zeiger, E. (2006). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 3rd Ed. ISBN: 080530245X e http://www.uic.edu/classes/bios/bios100/f06pm/lect06.htm.
Desde a embriogênese, algumas células matêm o caráter INDETERMINADO à Meristemas à que vão manter o desenvolvimento também na fase vegetaVva Fatores de transcrição fundamentais para o
estabelecimento do meristema da raiz
MP e NPH4 >> induzem PLT >> que induz SCR e SHR >> a combinação de PLT, SCR e SHR >> induzem a formação do
centro quiecente e mais tarde o meristema da raiz
Taiz, L. & Zeiger, E. (2010). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 5th Ed. Fig 16.19, página: 472. O hormônio citocina tem papel oposto ao da
auxina no meristema da raiz
Exressão do gene TSC, que responde á presença de citocina Verde = presença de citocina b e c: fases sucessivas do desenvolvimento globular Expressão dos genes ARR7 (d) e DR5 (f), que respondem à presença de auxina Verde = presença de auxina Auxina induz e
citocina inibe o desenvolvimento da raiz
Müller, B. & Sheen, J. Cytokinin and auxin interaction in root stem-cell specification during early embryogenesis. 453(7198):1094-7, 2008.
Os Fatores de transcrição WUS (WUSHEL) e CLV (CLAVATA)
são fundamentais para o estabelecimento e manutenção do
meristema apical do caule
CRN Divisão celular
Adaptado a partir de: Taiz, L. & Zeiger, E. (2004). Plant Physiology. Sinauer Assoc Editor. 3th Ed. Fig 16.26, página: 478.
Bleckmann A., et al., Stem cell signaling in Arabidopsis requires CRN to localize CLV2 to the plasma membrane. Plant Physiol. ,166-76, 2010.
Os meristemas desenvolvidos na embriogênese acompanharão a planta durante todo o seu ciclo de vida Meristema do ápice caulinar Meristema do ápice radicular Germinação de sementes
Quais são as partes de uma semente madura? Quais são as partes de uma semente madura? Endosperma: endosperma de amido e camada de aleurona (ocorre em gramíneas, Ex.: arroz, trigo, milho, etc.) CoSlédones: primeiras folhas da plântula, de natureza embrionária Germinação: dependência de fatores internos e externos Fatores internos • Hormônios vegetais (assunto das próximas aulas) Fatores extrenos • Água •  Oxigênio •  Temperatura •  Luz Tipos de dormência de sementes 1) Induzidas pela casca da semente •  Não apenas pela casca, mas também pelo endocarpo, pericarpo ou órgãos florais •  a casca previne a absorção de água, entrada de O2, emersão da radícula •  previne a perda de inibidores da germinação •  produz inibidores 2) Induzida pelo embrião •  Muitas vezes causada pelo coVlédone •  Relacionada com a síntese de hormônio ABA Quebra de dormência de sementes Quebra de barreiras • Abrasão (parhculas do solo) • Decomposição da casca (microorganismos, enzimas digesVvas) • Rachaduras na casca (ex.: fogo) Alteração do estado Ysico da semente (hidratação) Destruição ou diluição de inibidores da germinação + Luz, temperatura e água Produção de promotores do crescimento Etapas da germinação Etapas
Eventos
PRÉ-GERMINAÇÃO
(a) 
(b) 
(c) 
(d) 
(e) 
(f) 
Re-hidratação – embebição em água.
Síntese estimulada de RNA e proteínas.
Ativação metabólica – aumento respiratório.
Hidrólise (digestão) enzimática de reservas.
Alterações na ultraestrutura celular.
Indução da divisão e do crescimento celular.
GERMINAÇÃO
(a)  Ruptura da casca da semente.
(b)  Emergência da plântula, normalmente a radícula
aparece primeiro.
PÓS-GERMINAÇÃO
(a)  Crescimento controlado da raíz e do caule.
(b)  Transporte controlado de compostos energéticos
á partir das áreas de armazenamento para áreas
em crescimento.
(c)  Envelhecimento e morte dos tecidos de
armazenamento.
Etapas que levam à divisão celular Mitocôndria reconsVtuída Respiração Inicialmente anaeróbica, depois aeróbica Açúcares solúveis ATP RNA aVvado – polissomos – Síntese de proteínas (0,5 h) Enzimas (proteínas) Síntese de DNA (45h) http://www.rbgsyd.nsw.gov.au/
Mitose (70h) Viabilidade de sementes Uma semente é considerada viável quando o desenvolvimento do embrião e o acúmulo de reservas energéVcas ocorreram adequadamente e foram manVdos até o início da germinação. A semente viável é aquela que germina quando encontra as condições mínnimas necessárias. Testes de viabilidade de sementes Teste com cloreto de tetrazólio Desidrogenases respiratórias aVvas converterão o tetrazólio em um subproduto de cor vermelha à indica que a semente está fisiologicamente viável Teste de germinação Um determinado lote de sementes é colocado para germinar em condições ideais à conta-­‐se o número de sementes germinadas e determina-­‐se o percentual de sementes viáveis