Fisiologia Da Germinacao

 

 

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TEMA: FISIOLOGIA DA GERMINAÇÃO 1. INTRODUÇÃO A germinação é o retorno do crescimento do embrião da semente madura e depende das mesmas condições ambientais que são requeridas para o crescimento vegetativo (água, oxigênio, temperatura, por exemplo). A germinação pode apresentar-se de dois tipos: epígea [os cotilédones ou o endosperma ficam acima do solo e se tornam verdes e fotossintetizantes (feijão, mamona, cebola)] e hipógea [cotilédones ou o grão permanecem sob o solo e não se tornam fotossintetizantes (milho, sorgo, seringueira)]. Sementes viáveis dormentes não germinam mesmo que todas as condições ambientais necessárias para o crescimento sejam adequadas; introduz um retardo temporal no processo de germinação (garante o tempo necessário para a dispersão da semente por uma maior distância geográfica); maximiza a possibilidade de sobrevivência da plântula (previne a germinação sob condições desfavoráveis) e pode ocorrer, também, em gemas e órgãos subterrâneos.  No final da maturação da semente, o embrião entra em fase quiescente em resposta à dessecação. Sementes quiescentes apresentam condições intrínsecas normais e  permanecem em repouso devido à ausência ausên cia de condições ambientais favoráveis.

2. TIPOS DE DORMÊNCIA EM SEMENTES Existem dois tipos de dormência de sementes: dormência imposta pela casca ou outros tecidos que circundam o embrião e dormência inerente ao embrião.

2.1. Dormência Imposta Pelo Tegumento ou Por Outros Tecidos Tipo de dormência imposta sobre o embrião pelo tegumento da semente ou por outros tecidos que o circundam (endosperma, pericarpo ou órgãos extraflorais). O embrião germina prontamente na presença de água e oxigênio, desde que o tegumento ou outros tecidos que o circundam sejam removidos ou danificados (escarificação química ou física).

 

 

Disciplina de Fisiologia Vegetal Profa. Kátia Parente P á g i n a | 3  A dormência imposta pelo tegumento ou por outros tecidos pode ocorrer por alguns mecanismos: prevenção da absorção de água; dureza mecânica; interferência nas trocas gasosas; retenção e produção de inibidores. A prevenção da absorção de água é a causa mais comum de dormência em famílias de plantas encontradas em regiões áridas e semiáridas (leguminosas). A presença de cutículas cerosas, camadas suberizadas e esclerídeos lignificados são fatores que combinados restringem a penetração de água na semente. Tipicamente a emergência da radícula através do tegumento da semente é o  primeiro sinal visível da germinação. Na dureza mecânica o tegumento pode po de ser tão rígido r ígido que não permite a passagem da radícula (em alguns casos). As cascas sólidas e lignificadas: fatores responsáveis pela dureza mecânica (tecidos devem ser quebrados por forças bióticas ou ambientais). Em muitos tecidos não lignificados (endosperma de sementes de alface)  podem suprimir a expansão do embrião: paredes celulares do endosperma devem ser quebradas por enzimas degradantes da parede celular. A interferência nas trocas gasosas se deve ao tegumento de algumas sementes ser  pouco permeável para o oxigênio. A baixa permeabilidade para O 2 sugere que o tegumento da semente pode inibir a germinação limitando o suprimento desse gás para a respiração no embrião ( Xanthium  Xanthium pensylvanicum). A retenção de inibidores se deve ao tegumento da semente pode prevenir a saída de inibidores do interior da semente. Exemplo: embriões de  Xanthium isolados, inibidores de crescimento difundidos no meio e ocorrência de germinação. Em sementes intactas os inibidores permanecem no embrião e a semente não germina.  Na produção de inibidores o tegumento da semente e pericarpos de frutos: altas concentrações de inibidores de de crescimento (suprimir a germinação). O ácidopromove abscísicoa (ABA) é considerado o inibidor germinação. A repetida lavagem da semente lixiviação de compostos inibidores fazendo com que a semente germine. As sementes que não possuem arilo (película que fica em torno da semente e que contém inibidores de crescimento): retirada do arilo ou lavagem podem eliminar inibidores (mamão e tomate).

2.2. Dormência do Embrião (Dormência Fisiológica ou Endógena) É a dormência inerente ao embrião. Este tipo de dormência é devido,  provavelmente, à presença de inibidores (especialmente ABA) e ausência de promotores (giberelinas). A perda da dormência é freqüentemente associada a uma nítida queda na

 

 

Disciplina de Fisiologia Vegetal Profa. Kátia Parente P á g i n a | 4  relação ABA/GAs. O ácido abscísico (ABA) parece inibir a síntese de enzimas hidrolíticas dependentes de giberelinas (-amilase).

2.3. Sementes com os Dois Tipos de Dormência A espécie Stylosanthes humilis é uma leguminosa forrageira anual. Sua ocorrência é natural no México, em vários países da América Central, Venezuela, África do Sul e regiões Nordeste e central do Brasil. As sementes apresentam dormência tegumentar e endógena (embrião): característica evolutiva e ecológica muito importante (adaptação das espécies do gênero Stylosanthes  a certas condições ambientais). Observa-se ampla variabilidade no grau de dormência. As sementes recém-colhidas apresentam impedimento mecânico e dormência fisiológica (dormência do embrião). A dormência do embrião é reduzida gradualmente com o avanço da idade póscolheita (permanece apenas a dormência física nas sementes velhas). A redução da dormência do embrião com o tempo é decorrente do aumento da disponibilidade de substâncias promotoras do crescimento (etileno e citocininas); do aumento da sensibilidade dos tecidos a esse fitoreguladores e da redução do nível de inibidores no embrião.

3. CLASSIFICAÇÃO DA DORMÊNCIA EM SEMENTES   3.1. Dormência Primária e Secundária A dormência pode também ser classificada como primária e secundária ou induzida:  dormência primária: as sementes são liberadas da planta no estado dormente;  dormência secundária ou induzida: sementes que não são dormentes quando inicialmente

dispersa da planta mãe, mas podem ser induzidas à dormência se as condições para a germinação forem desfavoráveis.

4. FATORES QUE AFETAM A GERMINAÇÃO 4.1. Longevidade das Sementes As sementes perdem a viabilidade com o tempo, pois a longevidade entre as espécies é bastante variável.

 

 

Disciplina de Fisiologia Vegetal Profa. Kátia Parente P á g i n a | 5  Em laboratórios, os fatores mais importantes na proteção de semente estocadas  parecem ser em baixas temperaturas; baixo conteúdo de água na semente (parece ( parece ser o fator mais importante); baixas concentrações de O 2 e altas concentrações de CO 2. Aumentando-se o conteúdo de água da semente de 5 para 10%, reduz-se a viabilidade muito mais do que aumentando-se a temperatura de 20 para 40 0C.

4.2. Água A entrada de água na semente é controlada pela permeabilidade do tegumento;  pela disponibilidade de água e pela composição química das reservas rese rvas da semente. Sob condições ótimas de suprimento de água, a absorção de água pela semente apresenta três fases distintas:  Fase I (embebição);  Fase II;  Fase III.  Na fase I (embebição), as moléculas de água entram na semente, ocupando os espaços livres do tecido e espaços intermicelares dos colóides (aumento de volume). O  potencial hídrico de sementes maduras secas é muito menor que a do substrato úmido (gradiente pode chegar a –  a  – 100MPa 100MPa ou menor). A fase é um processo físico que ocorre em conseqüência das forças matriciais (forças coloidais). A absorção de água pode ocorrer tanto em sementes viáveis como em sementes mortas. Os tipos de macromoléculas coloidais encontradas em sementes são geralmente hidrofílicas (grande número de grupos iônicos  –   proteínas). O amido não contribui (ou contribui Na pouco) embebição altas temperaturas e baixo pH).de água. Embora f ase para fase II é aa etapa onde (exceto: praticamente não ssee ob observa serva absorção sementes dormentes ou sementes não viáveis possam chegar a fase II, somente as sementes que germinam entram na fase III.  Na fase III ocorre o alongamento alongamen to e emergência da radícula e grande incremen incremento to na absorção de água. O decréscimo no potencial osmótico é resultante da produção de substâncias osmoticamente ativas de baixo peso molecular  –   glicose, sacarose, frutose, aminoácidos, ácidos orgânicos.

4.3. Gases

 

 

Disciplina de Fisiologia Vegetal Profa. Kátia Parente P á g i n a | 6  A germinação (emergência da radícula) e desenvolvimento da plântula: processos que requerem energia. O fornecimento de energia: respiração das reservas estocadas (depende da presença de oxigênio). A maioria das espécies germina numa atmosfera normal (21% de O2 e 0,03% de CO2).

4.4. Temperatura Diferentes espécies apresentam diferentes temperaturas ótimas para a germinação. As diferenças podem estar associadas com a própria evolução da espécie (clima da região de origem, por ex.). A temperatura ótima para a germinação é a temperatura em que a maior  percentagem de germinação (100%) ocorre ocorr e em um menor tempo.

4.5. Luz As sementes podem ser classificadas em três categorias, dependendo de suas respostas à luz:  fotoblásticas positivas: sementes em que a luz estimula o processo de germinação;  fotoblásticas negativas: sementes cuja germinação é inibida pela luz;   fotoblásticas neutras: sementes que não são afetadas pela luz (germinam na luz ou no escuro). Em podem geral, estar sementes secas nanão apresentam sensibilidade à freqüentemente, luz (mudanças  bioquímicas envolvidas resposta). As plantas cultivadas, são fotoblásticas neutras. Algumas sementes podem requerer somente breve exposição à luz (alface):  luz vermelha converte a forma inativa do fitocromo (Fv) para a forma ativa (Fve), a qual  promove a germinação;   aplicação de luz vermelha extrema (Fve) provoca inibição da germinação (converte a forma ativa –  ativa –  Fve –   Fve –  na  na forma inativa –  inativa –  Fv).  Fv). A supressão da germinação em sementes fotoblásticas negativas (aveia) requer longo tempo de exposição em alta fluência: luzes vermelha distante e azul são mais efetivas.

 

 

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5. METABOLISMO DA SEMENTE DURANTE A GERMINAÇÃO 5.1. Respiração A germinação é o processo que envolve tanto reações catabólicas como reações anabólicas. Envolve também a reativação de organelas e macromoléculas preexistentes na semente (formadas durante a maturação), quebra de reservas (gerando ATP) e esqueletos de carbono para o crescimento das plântulas (formação de novas proteínas, organelas etc). Antes de a planta ser autotrófica, o desenvolvimento do eixo embrionário é completamente dependente de reservas (endosperma ou cotilédones), as quais precisam ser degradadas. Em sementes maduras (secas), a respiração é extremamente baixa comparada àquela de sementes germinando. Quando colocadas em meio aquoso, se observa uma imediata liberação de gases (presos nos espaços entre as macromoléculas coloidais). O consumo de oxigênio ligado à respiração segue um padrão básico que envolve três fases (embrião) e quatro (tecido de reserva).  Na fase I há um nítido aumento no consumo de O2  (hidratação e ativação de enzimas mitocondriais –  mitocondriais  –  ciclo   ciclo de Krebs e CTE). A fosforilação oxidativa mitocondrial é a  principal fonte de ATP desde o início da embebição. A respiração aumenta linearmente com o aumento da hidratação dos tecidos. A fase II é caracterizada por uma estabilização na respiração com o consumo de O2  aumentando somente lentamente. Existe pouco aumento nas enzimas envolvidas na respiração ou no número de mitocôndrias, durante esta fase. fase IIIàshánovas um mitocôndrias segundo aumento na taxanasdecélulas respiração. Noembrionário embrião, este aumento  Na é atribuído sintetizadas do eixo em crescimento. Nos tecidos de reserva, há também um aumento no número de mitocôndrias (freqüentemente em associação com a degradação e mobilização de reservas).  Na fase IV há uma queda na taxa de respiração. Ocorre somente nos tecidos de reserva, coincidindo com sua senescência pela exaustão das reservas estocadas.

5.2. Degradação e Mobilização de Reservas Durante a germinação os órgãos de reserva (endosperma ou cotilédones) perdem  peso rapidamente. O material pproveniente roveniente da degradação das reservas é translocado para o

 

 

Disciplina de Fisiologia Vegetal Profa. Kátia Parente P á g i n a | 8  eixo embrionário e dividido entre as diversas partes da nova planta (raiz e parte aérea). As reservas são constituídas de carboidratos, proteínas e lipídios (principalmente).  Nas gramíneas (milho, arroz, trigo, cevada, sorgo), o endosperma é um bloco de tecido morto, cercado por uma camada de células vivas (camada de aleurona). A camada de aleurona sintetiza as enzimas necessárias para a degradação das reservas. O escutelum (cotilédone modificado) também participa da degradação e transporte de reservas para o embrião. A principal reserva é o amido (acima de 70%) que é encontrado na forma de grânulos (amiloplastos). Em feijão e ervilha, o órgão de reserva são os cotilédones. Os cotilédones apresentam 24 e 40% de proteínas, sendo encontradas também altas porcentagens de carboidratos (principalmente amido). Em oleaginosas (soja, algodão, mamona, amendoim, girassol) observa-se elevadas  porcentagens de proteínas e, principalmente de lipídios (na forma de triacilglicerol). As  proteínas são armazenadas em corpos protéicos. Os lipídios são armazenados armazenados:: oleossomos.

6. DEGRADAÇÃO DAS PRINCIPAIS RESERVAS DA SEMENTE 6.1. Degradação de Amido O amido consiste de uma mistura de dois polissacarídeos (amilose e pectina). É depositado, geralmente, nos plastídios (cloroplastos ou amiloplastos). A amilose consiste de uma longa cadeia linear formada de unidades de glicose 14. unidas porAligação amilopectina é uma molécula altamente ramificada, na qual cadeias relativamente curtas de glicose (unidas por ligação 14) são conectadas por ligações 16. A degradação do amido pode ocorrer através de duas vias: hidrolítica e a fosforolítica. A degradação hidrolítica envolve a ação de quatro enzimas: -amilase, -amilase, enzima deramificadora e -glicosidase. A enzima -amilase cliva, ao acaso, as ligações 14 da amilose e da amilopectina. Não atua sobre a ligação 14 terminal. No caso da amilopectina, não cliva as ligações 16 (pontos de ramificação) nem as ligações 14 próximos aos pontos de ramificação. Cerca de 90% do açúcar liberado pela hidrólise do amido catalisada pela -

 

 

Disciplina de Fisiologia Vegetal Profa. Kátia Parente P á g i n a | 9  amilase, consiste de maltose (dissacarídeo formado por moléculas de glicose unidas por ligação 14). O restante é encontrado na forma de pequenas “dextrinas limite” (pontos de ramificação consistindo consistindo de 4 a 10 resíduos de glicose). É a primeira enzima que “ataca” grãos de milho intactos (importante nos estágios iniciais da germinação). A enzima -amilase degrada a molécula de amilose atacando especificamente a segunda ligação (produz exclusivamente maltose). Pode degradar a amilopectina. Não atua dentro da molécula (restam grandes cadeias ramificadas entre os pontos de ramificação  –   grandes dextrinas limites).  Na enzima deramificadora, também chamada de dextrinase limite, atua clivando as ligações 16 nos pontos de ramificação. Sua ação permite que as amilases ( -amilase e -amilase) continuem degradando o amido até maltose. A enzima -glicosidase realiza a etapa final da hidrólise do amido, convertendo a maltose em duas moléculas de glicose. A degradação fosforolítica está associada à atividade da enzima fosforilase do amido. Esta enzima atua sobre grãos de amido intactos (necessita da ação inicial da amilase). As atividades relativas das duas amilases e da fosforilase variam entre as espécies:   -amilase: tende a ser a mais ativa em sementes de arroz do que nos outros cereais (predomina -amilase);  fosforilase: embora tenha atividade desprezível em cereais, parece ter importante atuação em algumas leguminosas. Em cereais, os produtos da digestão do amido (principalmente glicose e maltose) são absorvidos pelo escutelum e convertidos para sacarose. A sacarose é transportada para o eixo embrionário (crescimento da raiz e da parte aérea).

6.2. Degradação de Proteínas Quatro classes de proteínas são estocadas em sementes: albuminas; globulinas;  prolaminas; e glutelinas. As prolaminas representam um grupo característico de grãos de cereais, tendo nomes específicos de acordo com a espécie (ex.: zeína do milho).  Na maioria das leguminosas (feijão, lentilha), a maior reserv reservaa protéica se encontra e ncontra na forma de globulinas.

 

 

Disciplina de Fisiologia Vegetal Profa. Kátia Parente P á g i n a | 10  As proteinases são enzimas que realizam a hidrólise de proteínas de estoque (produção de aminoácidos). Algumas hidrolisam totalmente a proteína (liberando aminoácidos). Outras produzem pequenos peptídeos (degradados pelas peptidases). Os aminoácidos liberados são reutilizados para a síntese de novas proteínas e desaminados (retirada do grupo amino) para fornecer esqueletos de carbono para o crescimento do eixo embrionário. Os principais sítios ativos de atividade proteolítica (degradação de proteínas) em sementes de cereais são a camada de aleurona, o endosperma amiláceo e o escutelum.  Nas dicotiledôneas, as proteinases atuam diretamente sobre os corpos protéicos encontrados nos cotilédones.

6.3. Degradação de Lipídios Os lipídios são importantes formas de estoque de carbono reduzido em muitas sementes (soja, girassol, amendoim, algodão). Representam uma forma mais reduzida de carbono do que os carboidratos. A completa oxidação de 1,0g de lipídio pode produzir mais ATP do que a oxidação de 1,0 g de amido. Os lipídios que se acumulam nas sementes são triacilgliceróis (principalmente)  –   líquidos à temperatura ambiente. A composição de ácidos graxos nos lipídios de sementes varia de espécie para espécie (diferenças estão associadas ao grau de insaturação –  insaturação  –   nno de ligações duplas). As plantas não são capazes de transportar lipídios. Durante o processo de germinação de sementes oleaginosas, os lipídios presentes no endosperma ou (sacarose, nos cotilédones precisam ser convertidos paraem uma forma ocorre móvel em de carbono no floema geralmente). A conversão do lipídio sacarose etapas localizadas em diferentes compartimentos celulares. As etapas de conversão de lipídio em sacarose são hidrólise do triacilglicerol; oxidação dos ácidos graxos; ciclo do glioxilato; gliconeogênese e translocação. A hidrólise do triacilglicerol consiste na quebra do triacilglicerol estocado nos oleossomos (enzima lipase). A lipase hidrolisa o triacilglicerol liberando três moléculas de ácidos graxos e glicerol. Esta enzima localiza-se na membrana do oleossomo (mamona e milho) ou superfície do glioxissomo (soja e amendoim). Durante a degradação de lipídios, os oleossomos e glioxissomos apresentam-se próximos uns dos outros (geralmente).  Na -oxidação dos ácidos graxos, após a hidrólise do triacilglicerol, os ácidos graxos são seqüencialmente quebrados. Há a formação de moléculas de dois carbonos

 

 

Disciplina de Fisiologia Vegetal Profa. Kátia Parente P á g i n a | 11  (acetil-CoA) mediante uma série de reações (-oxidação). Em tecidos animais, as enzimas associadas à -oxidação estão presentes na mitocôndria. Nas sementes (particularmente nos tecidos de armazenamento) as enzimas estão localizadas nos glioxissomos (exclusivamente) e nas folhas, nos peroxissomos.  No ciclo do glioxilato, o acetil-CoA produzido pela -oxidação é posteriormente metabolizado ainda no glioxissomo (ciclo do glioxilato). As duas primeiras reações do ciclo do glioxilato são semelhantes às duas primeiras reações do ciclo de Krebs. As enzimas citrato sintetase e aconitase catalisam a formação do citrato e do isocitrato, respectivamente: Oxaloacetato + acetil-CoA  Citrato Citrato  Isocitrato As duas próximas reações são exclusivas do ciclo do glioxilato. A clivagem do isocitrato é catalisada pela enzima isocitrato liase: Isocitrato (6C)  Succinato (4C) + Glioxilato (2C). Uma outra enzima (malato sintase) combina uma segunda molécula de acetil-CoA com glioxilato para formar malato. O malato é convertido para oxaloacetato (continuação do ciclo).  Na gliconeogênese, gliconeogênes e, o succinato (produzido no glioxissomo) é transportado para a mitocôndria, onde é convertido em malato. O malato move-se para o citossol, onde é oxidado para oxaloacetato, pela malato desidrogenase. O oxaloacetato é então convertido  para fosfoenolpiruvato (PEP) e CO C O2, pela enzima PEP carboxicinase (gasto de um ATP). O PEP é, então, convertido à glicose (gliconeogênese).  Na translocação, finalmente, as hexoses (glicose e frutose) são convertidas à sacarose. A sacarose é translocada para o eixo embrionário em crescimento.

LISTA DE FIGURAS FIGURA 01 - Plântulas epígeas: a) radícula; b) hipocótilo; c) plúmula; d) cotilédones.

 

 

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FIGURA 02  –   Plântulas hipógeas: a) raiz primária; b) raízes adventícias seminais; c) coleóptilo; d) plúmula; e) radícula; f) epicótilo; g) cotilédone. FIGURA 03  –   Padrão trifásico de absorção de água em sementes germinando (Bewley & Black, 1994). FIGURA 04 –  Estágios da respiração celular. FIGURA 05 –  Os dois polissacarídeos do amido, a amilose e a amilopectina. FIGURA 06 - Degradação do amido e mobilização dos produtos dos plastídios para o citosol (Hopkins, 2000). FIGURA 07 –  Esquema do Ciclo do Ácido Cítrico. FIGURA 08 –  O Ciclo do Glioxalato.  –  FIGURA 09   Conversão de lipídios em açúcares durante a germinação em sementes oleaginosas.

 

 

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Disciplina de Fisiologia Vegetal Profa. Kátia Parente P á g i n a | 21  Equipe:  _______________________________________________________  ____________________________ ____________________________________________ _________________  _______________________________________________________  ____________________________ ____________________________________________ _________________ Data: _____/_____/________. ESTUDO DIRIGIDO (E.D.) – FISIOLOGIA DA GERMINA GERMINAÇÃO ÇÃO 

Questão 01: Quais os tipos de germinação? Defina-os. Questão 02: Quais os fatores que afetam a germinação? Comente-os. Questão 03: Quais os tipos de dormência de sementes? Caracterize-os. Questão 04: Como a dormência pode ser classificada? Comente. Questão 05: Qual o primeiro sinal visível da germinação? Comente. Questão 06: Caracterize as fases da absorção de água pela semente. Questão 07:  Comente o consumo de oxigênio ligado à respiração. (OBS.: Considere em seus comentários até o tecido de reserva).

Questão 08: Caracterize a via hidrolítica de degradação do amido. Questão 09: Caracterize a via fosforolítica de degradação do amido. Questão 10:  Quais as enzimas que participam da degradação do amido, via hidrolítica, durante o processo de germinação?

Questão 11: Quais as enzimas que participam da degradação do amido, via fosforolítica, durante o processo de germinação?

Questão 12: Quais as classes de proteínas estocadas em sementes? Questão 13: Quais os lipídios que se acumulam nas sementes? Questão 14:  Em sementes oleaginosas, quais as etapas na conversão de lipídios para açúcares?

 

 

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Questão 15:  Qual a importância da degradação de lipídios em sementes oleaginosas, durante o processo de germinação?

Questão 16: Descreva, de maneira sucinta, a percepção da luz pelas sementes.