·
Biologia ·
Fisiologia Vegetal
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FISIOLOGIA E DESENVOLVIMENTO VEGETAL SINAIS DA LUZ SOLAR Fotorreceptores vegetais Prof Rogério Ferreira Ribas Fotomorfogênese Desenvolvimento no escuro e na presença de luz Estiolamento em dicotiledôneas e monocotiledôneas Fotorreceptores vegetais Receptores de luz visível fitocromos criptocromos e fototropinas Receptores de radiação UV ZEITLUPE e UVR8 Receptores de luz visível Estrutura função propriedades fotoquímicas e bioquímicas de fitocromos criptocromos e fototropinas Receptores de radiação UVs ZEITLUPE UVA e UVR8 UVB Agrião Fotomorfogênese A luz solar inibe o crescimento do caule e estimula a expansão foliar durante o crescimento das plântulas duas das várias mudanças fenotípicas induzidas pela luz coletivamente referidas como fotomorfogênese As plântulas cultivadas no escuro exibem estiolamento caracterizado por hipocótilos alongados e falta de clorofila Fig162 Taiz et al 6ª ed Escotomorfogênese As plântulas cultivadas no escuro exibem estiolamento caracterizado por hipocótilos alongados tamanho reduzido de folhas e ausência de esverdeamento falta de clorofila Fig162 Taiz et al 6ed Fotomorfogênese Em milho uma monocotiledônea os sintomas de estiolamento incluem o alongamento do coleóptilo e mesocótilo falha no desenrolamento e redução no tamanho das folhas e a ausência de esverdeamento Fig1825AB Taiz et al 6ed Fotomorfogênese Em feijoeiro uma dicotiledônea os sintomas de estiolamento incluem o alongamento do hipocótilo manutenção do gancho plumular tamanho reduzido das folhas e ausência de esverdeamento Fig1825CD Taiz et al 6ed Fotomorfogênese Desenvolvimento no escuro e na presença de luz Estiolamento em dicotiledôneas e monocotiledôneas Fotorreceptores vegetais Receptores de luz visível fitocromos criptocromos e fototropinas Receptores de radiação UV ZEITLUPE e UVR8 Receptores de luz visível Estrutura função propriedades fotoquímicas e bioquímicas de fitocromos criptocromos e fototropinas Receptores de radiação UVs ZEITLUPE UVA e UVR8 UVB Fotorreceptores Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UV envolvem moléculas receptoras que detectam comprimentos de onda específicos da luz e induzem alterações de desenvolvimento ou fisiológicas Quatro classes principais de fotorreceptores medeiam os efeitos da luz vermelha azul e da radiação UVB os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UVB envolvem quatro classes principais de fotorreceptores os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Fitocromo O fitocromo é um dímero composto por duas subunidades contendo por sua vez dois componentes uma molécula de pigmento que absorve luz o cromóforo fitocromobilina e uma cadeia polipeptídica denominada apoproteína Juntos a apoproteína e seu cromóforo formam a holoproteína Fig157 modificada Kerbauy 3a Ed O fitocromo é um pigmento proteico solúvel que ocorre como um dímero composto por duas subunidades equivalentes contendo por sua vez dois componentes o cromóforo PB e a apoproteína phy Fitocromo O fitocromo é um dímero composto por duas subunidades contendo por sua vez dois componentes uma molécula de pigmento que absorve luz o cromóforo fitocromobilina e uma cadeia polipeptídica denominada apoproteína Juntos a apoproteína e seu cromóforo formam a holoproteína Fig1610 modificada Taiz et al 6ª ed Cromóforo atividade fotorreceptora Holoproteína Apoproteina atividade cinase PB PB Dímero 250 kDA O fitocromo é um pigmento proteico solúvel que ocorre como um dímero composto por duas subunidades equivalentes contendo por sua vez dois componentes o cromóforo e a apoproteína phy Estrutura do fitocromo Estrutura das formas Fv e Fvd do cromóforo fitocromobilina e a região do peptídeo ligada ao cromóforo por meio de uma ligação tioéter O cromóforo é submetido a uma isomerização cistrans no carbono 15 em resposta às luzes vermelha e vermelhodistante Fig 168 modificada Taiz et al 6ª Ed Fitocromo vermelho 660 nm Fitocromo vermelhodistante 730 nm O cromóforo é um tetrapirrol de cadeia aberta denominado fitocromobilina que se liga a apoproteína por meio de uma ligação tioéter Proteína cinase O fitocromo de plantas é uma proteína cinase de serinatreonina autofosforilante que pode fosforilar outras proteínas Cinases são enzimas que possuem a capacidade de transferir grupos fosfato do ATP para aminoácidos como serinatirosina nelas mesmas ou em outras proteínas Fig 169A modificada Taiz et al 6ª Ed Cromóforo Ligação tioéter Domínio histidina cinase A apoproteína é uma cadeia polipeptídica de aproximadamente 125 kDa designada de PHY onde o cromóforo se liga por meio de por uma ligação tioéter a um resíduo de cisteína Proteína cinase O fitocromo de plantas é uma proteína cinase de serinatreonina autofosforilante que pode fosforilar outras proteínas Cinases são enzimas que possuem a capacidade de transferir grupos fosfato do ATP para aminoácidos como serinatirosina nelas mesmas ou em outras proteínas Fig 179A Taiz e Zeiger 5ª ed Respostas fisiológicas Autofosforilação numa serina Proteína cinase O fitocromo após a ativação por luz vermelha migra para o núcleo para modular a expressão gênica e um pequeno pool permanece no citosol onde pode regular alterações bioquímicas rápidas como pe o fluxo de íons e por consequência o potencial de membrana Fig 1610 modificada Taiz et al 6ª ed Um pequeno pool de fitocromo permanece no citosol onde medeia respostas rápidas Absorção de luz vermelha promove um giro no anel D do cromóforo Exposição de sequências de localização nuclear dentro dos domínios PRD Fotorreversibilidade Após absorver luz vermelha o cromóforo Fv passa por isomerização cistrans na ligação dupla entre carbonos 15 e 16 e uma rotação na ligação simples C14C15 Estas mudanças alteram a conformação da apoproteína que por sua vez alteram a sua atividade biológica Fig 168 Taiz et al 6ed Forma inativa síntese no escuro Forma ativa degradação na luz Fv 660 nm Fvd 730 nm Fotoreversibilidade Resumo esquemático da fotoconversão das formas Fv e Fvd A fotoconversão da forma Fv forma inativa a Fvd forma ativa é induzida por luz vermelha e azul enquanto a reversão de Fvd a Fv é induzida por luz vermelho distante e também pelo escuro Fig138 Taiz et al 1ª ed Após percepção da luz vermelha a forma Fv inativa é convertida à forma ativa Fvd O Fvd ativo pode ser convertido de volta à forma inativa Fv rapidamente após irradiação com vermelhodistante ou lentamente após remoção da luz vermelha Fitocromo vermelho Fv Fitocromo vermelhodistante Fvd Fotoreversibilidade Resumo esquemático da fotoconversão das formas Fv e Fvd A fotoconversão da forma Fv forma inativa a Fvd forma ativa é induzida por luz vermelha e azul enquanto a reversão de Fvd a Fv é induzida por luz vermelho distante e também pelo escuro Fig1610 modificada Taiz et al 6ª ed reversão no escuro Forma inativa síntese no escuro Forma ativa degradação na luz isômero cis isômero trans Fv absorve no vermelho distante Espectro de absorção Espectros de absorção de fitocromos purificados de aveia A forma Fv linha verde tem pico de absorção em luz vermelha 666 nm e a forma Fvd linha azul tem pico de absorção em luz vermelhodistante 730 nm e pouco no vermelho Fig173 Taiz e Zeiger 4ª ed Estado Fotoestacionário absorção no azul e no ultravioleta Comprimento de onda nm Absorbância Fvd absorve no vermelho 666 730 Fvd Fv Fvd Fvd Ftotal Estado fotoestacionário Quando as moléculas do Fv são expostas à luz vermelha a maior parte delas absorve os fótons e é convertida em Fvd porém parte do Fvd produzido também absorve a luz vermelha e é convertida de volta a Fv A proporção de fitocromo na forma Fvd após saturação com luz vermelha é de aproximadamente 88 Luz vermelha saturante Fv inativa 12 Fvd ativa 88 Luz vermelha distante saturante Fvd ativa 2 Fv inativa 98 Referese a proporção das formas Interconversíveis de fitocromo vermelho Fv e fitocromo vermelho distante Fvd após saturação com luz vermelha e luz vermelha distante respectivamente Estado fotoestacionário Quando as moléculas do Fvd são expostas à luz vermelha distante a maior parte delas absorve os fótons e é convertida em Fv porém parte do Fv produzido também absorve a luz vermelha distante e é convertida de volta a Fvd A proporção de fitocromo na forma Fvd após saturação com luz vermelha distante é de aproximadamente 2 Fvd Ftotal 88 Fvd Ftotal 2 Respostas fotorreversíveis A reversibilidade das respostas do vermelho e do vermelhodistante levou à descoberta de que um único fotorreceptor fotorreversível fitocromo é o responsável por ambas as atividades Tab161 Taiz et al 6ª ed Referese a proporção das formas Interconversíveis de fitocromo vermelho Fv e fitocromo vermelho distante Fvd após saturação com luz vermelha e luz vermelha distante respectivamente Germinação de sementes Sementes embebidas foram submetidas a tratamentos alternados de luz vermelha seguida de luz vermelhodistante A luz vermelha promove a germinação das sementes porém seu efeito é revertido pela luz vermelhodistante O efeito do tratamento de luz depende do último tratamento aplicado Fig165 Taiz et al 6ª ed Fv inativa Fvd ativa Luz vermelha Luz vermelho distante Estimula a germinação Inibe a germinação Respostas em fluência muito baixa VLRFs Entre 00001 molm 2 110 flash vagalume e 005 molm 2 002 phyA em Fvd Presença de reciprocidade Não reversível por luz vermelho distante Ex germinação de sementes de Arapidopsis Respostas em fluência baixa LRFs Entre 1 molm 2 e 1000 molm 2 Presença de reciprocidade Reversível por luz vermelho distante Ex germinação de sementes de alface movimentos foliares Respostas em irradiância alta HIRs Alta irradiância molm 2s1 Ausência de reciprocidade Não reversível por luz vermelho distante Ex síntese de antocianinas em dicotiledôneas Taxa de fluência As respostas do fitocromo baseadas na sua sensibilidade à fluência podem ser divididas em três categorias com base na quantidade de luz exigida respostas em fluência muito baixa VLFRs respostas em fluência baixa LFRs e respostas em irradiância alta HIRs Fig1612 Taiz et al 6ª ed Resposta em fluência baixa Os espectros de ação para os dois efeitos antagonistas da luz sobre a germinação de sementes de Arabidopsis onde a estimulação mostra um pico na região do vermelho 660 nm enquanto a inibição tem um pico na região do vermelhodistante 720 nm Fig166 Taiz et al 6ª ed Germinação 660 720 Eficiência quântica relativa Comprimento de onda nm Resposta em irradiância alta As respostas em irradiância alta HIR não são fotorreversíveis e requerem uma exposição prolongada ou contínua à luz de irradiância relativamente alta sendo a resposta proporcional à irradiância como pe a inibição do alongamento do hipocótilo de plântulas de alface cultivadas no escuro Fig179 411Taiz e Zeiger 3ª ed Uma importante função do fitocromo é que ele permite que as plantas percebam o sombreamento por outras plantas por meio diminuição da razão de luz vermelhavermelhodistante VVD Parâmetros de luz em ambientes naturais Taxa de fluência total em fótons 400800 nm e os valores de RFR em oito condições e ambientes naturais Em comparação com a luz do dia há proporcionalmente mais luz vermelhodistante durante o pôrdosol sob 5 mm de solo ou abaixo da cobertura de outras plantas como sobre o chão de uma floresta Tab182 Taiz et al 6ª ed Evitação da sombra Para uma planta de sol ou planta que evita a sombra existe um claro valor adaptativo em alocar recursos em direção a crescimento mais rápido em extensão podendo aumentar suas chances de crescer acima do dossel e adquirir uma maior porção de radiação fotossinteticamente ativa direta ou nãofiltrada Fig1829 Taiz et al 6ª ed Baixa VVD Alta VVD Evitação da sombra As plantas que alongam o caule em resposta ao sombreamento são ditas exibir uma resposta de evitação da sombra A medida que aumenta a quantidade de luz vermelhodistante 730 nm há um maior acúmulo da forma Fv diminuindo a razão de FvFvd ou FvdFtotal o qual promove o alongamento do caule Fig 228Hopikins 4ª ed VVD 1 sol VVD 1 sombra Evitação da sombra Efeitos de phyA e phyB na evitação à sombra Plantas crescendo em clareiras ambiente rico em luz V acumulam preferencialmente phyB Plantas em condições sombreadas ambiente rico em luz VD acumulam phyA Como phyA é instável ao ser degradado ele é posteriormente substituído por phyB V V V VD VD VD Luz contínua Ambiente sombreado VVD 1 Ambiente aberto VVD 1 Fotorreceptores Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UV envolvem moléculas receptoras que detectam comprimentos de onda específicos da luz e induzem alterações de desenvolvimento ou fisiológicas Quatro classes principais de fotorreceptores medeiam os efeitos da luz vermelha azul e da radiação UVB os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UVB envolvem quatro classes principais de fotorreceptores os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Criptocromos O criptocromo é um dímero composto por duas subunidades que por sua vez contém um domínio Nterminal relacionado à fotoliase PHR que se liga ao cofator de captura de luz 510metiltetrahidrofolato MTHF e o cofator catalítico flavina adenina dinucleotídeo FAD ligados não covalentemente à proteína Fig1616ª modificada Taiz et al 6 ed Criptocromos são proteínas absorventes de luz azul que possuem um domínio N terminal relacionado à fotoliase PHR que se liga a pterina 510metiltetraidrofolato MTHF e a flavina adenina dinucleotídeo FAD Porção Nterminal Porção C terminal Domínio fotoliase Cromóforo Criptocromo O criptocromo atua como um interruptor molecular de luz em que a absorção de fótons azuis na extremidade Nterminal da região fotossensora resulta em mudanças conformacionais em proteínas no Cterminal Após ativação a proteína é transportada para o núcleo onde é envolvida nas interações proteínaproteína que iniciam a sinalização a jusante resultando na acumulação de antocianina a iniciação da fotomorfogênese e a inibição do alongamento Fig1311 Taiz et al 1a ed A absorção de luz azul por cromóforos no domínio Nterminal relacionado à fotoliase PHR tem como consequência uma mudança conformacional do domínio Cterminal do criptocromo CCT possibilitando a sinalização Inibição do alongamento do caule Os gráficos de barra mostram os fenótipos de uma planta transgênica superexpressando o gene que codifica o CRY1 CRY1 OE o tipo selvagem WT e os mutantes cry1 A resposta melhorada à luz azul da planta superexpressando CRY1 demonstra o importante papel deste produto gênico na estimulação da biossíntese de antocianina e na inibição do alongamento do cauleFig1617B Taiz et al 6a ed A superexpressão da apoproteína CRY1 em indivíduos transgênicos de tabaco ou Arabidopsis resulta em uma inibição mais forte do alongamento do hipocótilo estimulada pela luz azul A superexpressão da apoproteína CRY1 em indivíduos transgênicos de tabaco ou Arabidopsis resulta também em um aumento na produção de antocianinas estimulada pela luz azul Inibição do alongamento do caule Os gráficos de barra mostram os fenótipos de uma planta transgênica superexpressando o gene que codifica o CRY1 CRY1 OE o tipo selvagem WT e os mutantes cry1 A resposta melhorada à luz azul da planta superexpressando CRY1 demonstra o importante papel deste produto gênico na estimulação da biossíntese de antocianina Fig1617a Taiz et al 6a ed Fotorreceptores Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UV envolvem moléculas receptoras que detectam comprimentos de onda específicos da luz e induzem alterações de desenvolvimento ou fisiológicas Quatro classes principais de fotorreceptores medeiam os efeitos da luz vermelha azul e da radiação UVB os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UVB envolvem quatro classes principais de fotorreceptores os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Fototropina As proteínas fototropinas consistem de dois domínios luzoxigêniovoltagem LOV cada um com cromóforo de flavina mononucleotídeo FMN ligado um domínio Cterminal de serinatreonina quinase e uma região αhélice Jα que une os domínios Nterminal e Cterminal Fig1621A Taiz et al 6 ed A fototropina é uma proteína fotorreceptora contendo dois domínios fotossensíveis LUZ OXIGÊNIOVOLTAGEM LOV1 e LOV2 cada um ligando um cromóforo flavina mononucleotídeo FMN e um domínio de quinase Fototropina A absorção de fótons azuis pelos domínios LOV resulta em alterações fotoquímicas primárias que levam à liberação do domínio de cinase e a sua ativação pelo desdobramento da Jαhélice A ativação do domínio de cinase Cterminal em seguida leva à autofosforilação do receptor em múltiplos resíduos de serina Fig1622 Taiz et al 6ed A absorção de fótons azuis pelos domínios LOV resulta em alterações fotoquímicas primárias que levam à soltura do domínio de quinase e a sua ativação via autofosforilação Fototropina A percepção da luz azul pelos domínios LOV resulta em autofosforilação e uma mudança conformacional drástica que expõe o domínio quinase A fosforilação direta de proteínasalvo via domínio quinase resulta em mudanças como abertura estomática fototropismo e relocalização dos cloroplastos Fig 1312 Taiz et al 1a ed A fototropina é uma proteína fotorreceptora contendo dois domínios fotossensíveis LUZ OXIGÊNIOVOLTAGEM LOV1 e LOV2 cada um ligando um cromóforo flavina mononucleotídeo FMN e um domínio de quinase Espectro de absorção de fototropina O espectro de absorção para o domínio LOV2 da fototropina que contém o cromóforo flavina mononucleotídeo FMN flavin mononucleotide é idêntico ao espectro de ação para o fototropismo coerente com a atuação da fototropina como o fotorreceptor para essas respostasFig167B Taiz et al 6ed O espectro de absorção para o domínio LOV2 da fototropina que contém o cromóforo flavina mononucleotídeo FMN mostra um padrão de três dedos na região dos 400 a 500 nm que é característico de respostas específicas à luz azul Fototropismo Quando irradiado com luz unilateral azul o coleóptilo de milho cresce em direção à luz Por outro lado mutantes com respostas fototrópicas alteradas em relação a luz azul não apresentam a curvatura das plântulas Fig 163 modificada Taiz et al 6ª ed Em exposição a luz azul unidirecional a auxina produzida no ápice do coleóptilo é transportada lateralmente para o lado sombreado fazendo esse lado do coleóptilo crescer mais rápido do que o lado iluminado Fototropismo Modelo do movimento basípeto de auxina linhas vermelhas associado com o fototropismo em plântulas de Arabidopsis aclimatadas ao escuro Fig1824 Taiz et al 6ed Redistribuição de cloroplastos Em condições de pouca luz os cloroplastos otimizam a absorção de luz acumulandose nos lados superior e inferior das células do parênquima paliçádico Em condições de luz alta os cloroplastos evitam a luz solar migrando para as paredes laterais das células do parênquima paliçádico No escuro os cloroplastos movemse para a parte inferior da célula no escuro Fig1623 Taiz et al 6ed As folhas podem alterar a distribuição intracelular de seus cloroplastos em resposta às mudanças nas condições de luz uma característica é adaptativa que modula a absorção de luz e impede o dano por excesso de luz As folhas podem alterar a distribuição intracelular de seus cloroplastos em resposta às mudanças nas condições de luz uma característica é adaptativa que modula a absorção de luz e impede o dano por excesso de luz Redistribuição de cloroplastos Na presença de luz solar total CHUP1 chloroplast unusual positioning1 ligase ao envoltório do cloroplasto e recruta actina G e proteínas de polimerização de actina profilinas para estender um filamento de actina F existente A CHUP1 e o cloroplasto são então empurrados pela actina G inserida gerando a força motriz para o movimento dos cloroplastos Fig1624 Taiz et al 6ed Abertura estomática A abertura estomática na superfície abaxial medida pela largura da fenda estomática segue de perto o curso diário de luz incidente sobre a folha ou seja os estômatos abremse quando os níveis de luz que chegam à superfície da folha aumentam e fechamse à medida que a luz diminui Fig102 Taiz et al 6ª ed Fototropinas A luz azul percebida pelas fototropinas modula a osmorregulação das célulasguarda pela ativação de HATPases na membrana plasmática e do bombeamento de prótons pela captação de solutos e estimulação da síntese de solutos orgânicos e pela inibição de canais de ânions da membrana plasmática que em conjunto acarreta na abertura estomática Fig1626 modificada Taiz et al 6ª ed Fototropinas A luz azul promove a autofosforilação das fototropinas que então ativam uma proteína regulatória denominada CBC Convergence of Blue Light and CO2 que inibem o transporte de Cl para fora da célula o que promove o aumento de ingresso de Cl para o interior do vacúolo Fig1626 modificada Taiz et al 6ª ed Fototropinas As fototropinas ativadas fosforilam o complexo BLUS1 Blue Ligth Signaling 1cinase ativa etapas sequencias de fosforilação de proteínas que ativam HATPases da membrana plasmática mediante ligação de uma proteína 1433 estabilizando a bomba de prótons no estado ativo Fig1626 modificada Taiz et al 6ª ed Fototropinas A ativação de HATPases hiperpolariza a membrana plasmática o que aumenta o movimento de K para a célulaguarda A absorção de K pelo vacúolo é coordenada com a absorção de Cl e malato2 Esses movimentos de íons reduzem o potencial osmóticos e por consequência o potencial hídrico do vacúolo acarretando na absorção de água a expansão vacuolar e abertura estomática Fig1626 Taiz et al 6ª ed A luz azul percebida pelas fototropinas modula a osmorregulação das célulasguarda pela ativação de HATPases na membrana plasmática e por consequência a captação de solutos que em conjunto acarreta na abertura estomática Fotorreceptores Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UV envolvem moléculas receptoras que detectam comprimentos de onda específicos da luz e induzem alterações de desenvolvimento ou fisiológicas Quatro classes principais de fotorreceptores medeiam os efeitos da luz vermelha azul e da radiação UVB os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UVB envolvem quatro classes principais de fotorreceptores os fitocromos os criptocromos as fototropinas e UVR8 UVR8 A forma inativa de UVR8 é um dímero que consiste de dois monômeros unidos por pontes salinas com uma série de resíduos de triptofano na superfície de interação Esses resíduos de triptofano percebem a UVB resultando nas mudanças estruturais que geram os dois monômeros ativos que são então transportados para o núcleo onde participam nas interações proteínaproteína que resultam na regulação a jusante de genes responsivos à UVB Fig 1319 Taiz et al 1a ed O fotorreceptor de irradiação UVB é o UVR8 um dímero que consiste de dois monômeros unidos por pontes salinas com uma série de resíduos de triptofano na superfície de interação e que carece de um cromóforo prostético UVR8 Ao absorverem fótons de UVB os resíduos de triptofano sofrem alterações estruturais que quebram as pontes salinas o que leva à dissociação dos dois monômeros funcionalmente ativos Estes em seguida interagem com os complexos COP1SPA um regulador positivo durante a sinalização de UVB que ativa a transcrição do importante fator de transcrição HY5 que controla a expressão de muitos dos genes induzidos pela UVB Fig 1628 Taiz et al 6 ed O UVR8 interage com outros complexos proteicos para ativar a transcrição de genes induzidos pela UVB Além dos seus efeitos citotóxicos a radiação UVB pode provocar uma gama ampla de respostas fotomorfogênicas incluindo a inibição de hormônios promotores do crescimento e a otimização de hormônios de defesa induzidos por estresse Respostas à radiação ultravioleta Além dos seus efeitos citotóxicos a radiação UVB pode provocar uma gama ampla de respostas fotomorfogênicas incluindo a inibição de hormônios promotores do crescimento tais como auxina e giberelinas e a otimização de hormônios de defesa induzidos por estresse Tab163 Taiz et al 6ª ed
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FISIOLOGIA E DESENVOLVIMENTO VEGETAL SINAIS DA LUZ SOLAR Fotorreceptores vegetais Prof Rogério Ferreira Ribas Fotomorfogênese Desenvolvimento no escuro e na presença de luz Estiolamento em dicotiledôneas e monocotiledôneas Fotorreceptores vegetais Receptores de luz visível fitocromos criptocromos e fototropinas Receptores de radiação UV ZEITLUPE e UVR8 Receptores de luz visível Estrutura função propriedades fotoquímicas e bioquímicas de fitocromos criptocromos e fototropinas Receptores de radiação UVs ZEITLUPE UVA e UVR8 UVB Agrião Fotomorfogênese A luz solar inibe o crescimento do caule e estimula a expansão foliar durante o crescimento das plântulas duas das várias mudanças fenotípicas induzidas pela luz coletivamente referidas como fotomorfogênese As plântulas cultivadas no escuro exibem estiolamento caracterizado por hipocótilos alongados e falta de clorofila Fig162 Taiz et al 6ª ed Escotomorfogênese As plântulas cultivadas no escuro exibem estiolamento caracterizado por hipocótilos alongados tamanho reduzido de folhas e ausência de esverdeamento falta de clorofila Fig162 Taiz et al 6ed Fotomorfogênese Em milho uma monocotiledônea os sintomas de estiolamento incluem o alongamento do coleóptilo e mesocótilo falha no desenrolamento e redução no tamanho das folhas e a ausência de esverdeamento Fig1825AB Taiz et al 6ed Fotomorfogênese Em feijoeiro uma dicotiledônea os sintomas de estiolamento incluem o alongamento do hipocótilo manutenção do gancho plumular tamanho reduzido das folhas e ausência de esverdeamento Fig1825CD Taiz et al 6ed Fotomorfogênese Desenvolvimento no escuro e na presença de luz Estiolamento em dicotiledôneas e monocotiledôneas Fotorreceptores vegetais Receptores de luz visível fitocromos criptocromos e fototropinas Receptores de radiação UV ZEITLUPE e UVR8 Receptores de luz visível Estrutura função propriedades fotoquímicas e bioquímicas de fitocromos criptocromos e fototropinas Receptores de radiação UVs ZEITLUPE UVA e UVR8 UVB Fotorreceptores Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UV envolvem moléculas receptoras que detectam comprimentos de onda específicos da luz e induzem alterações de desenvolvimento ou fisiológicas Quatro classes principais de fotorreceptores medeiam os efeitos da luz vermelha azul e da radiação UVB os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UVB envolvem quatro classes principais de fotorreceptores os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Fitocromo O fitocromo é um dímero composto por duas subunidades contendo por sua vez dois componentes uma molécula de pigmento que absorve luz o cromóforo fitocromobilina e uma cadeia polipeptídica denominada apoproteína Juntos a apoproteína e seu cromóforo formam a holoproteína Fig157 modificada Kerbauy 3a Ed O fitocromo é um pigmento proteico solúvel que ocorre como um dímero composto por duas subunidades equivalentes contendo por sua vez dois componentes o cromóforo PB e a apoproteína phy Fitocromo O fitocromo é um dímero composto por duas subunidades contendo por sua vez dois componentes uma molécula de pigmento que absorve luz o cromóforo fitocromobilina e uma cadeia polipeptídica denominada apoproteína Juntos a apoproteína e seu cromóforo formam a holoproteína Fig1610 modificada Taiz et al 6ª ed Cromóforo atividade fotorreceptora Holoproteína Apoproteina atividade cinase PB PB Dímero 250 kDA O fitocromo é um pigmento proteico solúvel que ocorre como um dímero composto por duas subunidades equivalentes contendo por sua vez dois componentes o cromóforo e a apoproteína phy Estrutura do fitocromo Estrutura das formas Fv e Fvd do cromóforo fitocromobilina e a região do peptídeo ligada ao cromóforo por meio de uma ligação tioéter O cromóforo é submetido a uma isomerização cistrans no carbono 15 em resposta às luzes vermelha e vermelhodistante Fig 168 modificada Taiz et al 6ª Ed Fitocromo vermelho 660 nm Fitocromo vermelhodistante 730 nm O cromóforo é um tetrapirrol de cadeia aberta denominado fitocromobilina que se liga a apoproteína por meio de uma ligação tioéter Proteína cinase O fitocromo de plantas é uma proteína cinase de serinatreonina autofosforilante que pode fosforilar outras proteínas Cinases são enzimas que possuem a capacidade de transferir grupos fosfato do ATP para aminoácidos como serinatirosina nelas mesmas ou em outras proteínas Fig 169A modificada Taiz et al 6ª Ed Cromóforo Ligação tioéter Domínio histidina cinase A apoproteína é uma cadeia polipeptídica de aproximadamente 125 kDa designada de PHY onde o cromóforo se liga por meio de por uma ligação tioéter a um resíduo de cisteína Proteína cinase O fitocromo de plantas é uma proteína cinase de serinatreonina autofosforilante que pode fosforilar outras proteínas Cinases são enzimas que possuem a capacidade de transferir grupos fosfato do ATP para aminoácidos como serinatirosina nelas mesmas ou em outras proteínas Fig 179A Taiz e Zeiger 5ª ed Respostas fisiológicas Autofosforilação numa serina Proteína cinase O fitocromo após a ativação por luz vermelha migra para o núcleo para modular a expressão gênica e um pequeno pool permanece no citosol onde pode regular alterações bioquímicas rápidas como pe o fluxo de íons e por consequência o potencial de membrana Fig 1610 modificada Taiz et al 6ª ed Um pequeno pool de fitocromo permanece no citosol onde medeia respostas rápidas Absorção de luz vermelha promove um giro no anel D do cromóforo Exposição de sequências de localização nuclear dentro dos domínios PRD Fotorreversibilidade Após absorver luz vermelha o cromóforo Fv passa por isomerização cistrans na ligação dupla entre carbonos 15 e 16 e uma rotação na ligação simples C14C15 Estas mudanças alteram a conformação da apoproteína que por sua vez alteram a sua atividade biológica Fig 168 Taiz et al 6ed Forma inativa síntese no escuro Forma ativa degradação na luz Fv 660 nm Fvd 730 nm Fotoreversibilidade Resumo esquemático da fotoconversão das formas Fv e Fvd A fotoconversão da forma Fv forma inativa a Fvd forma ativa é induzida por luz vermelha e azul enquanto a reversão de Fvd a Fv é induzida por luz vermelho distante e também pelo escuro Fig138 Taiz et al 1ª ed Após percepção da luz vermelha a forma Fv inativa é convertida à forma ativa Fvd O Fvd ativo pode ser convertido de volta à forma inativa Fv rapidamente após irradiação com vermelhodistante ou lentamente após remoção da luz vermelha Fitocromo vermelho Fv Fitocromo vermelhodistante Fvd Fotoreversibilidade Resumo esquemático da fotoconversão das formas Fv e Fvd A fotoconversão da forma Fv forma inativa a Fvd forma ativa é induzida por luz vermelha e azul enquanto a reversão de Fvd a Fv é induzida por luz vermelho distante e também pelo escuro Fig1610 modificada Taiz et al 6ª ed reversão no escuro Forma inativa síntese no escuro Forma ativa degradação na luz isômero cis isômero trans Fv absorve no vermelho distante Espectro de absorção Espectros de absorção de fitocromos purificados de aveia A forma Fv linha verde tem pico de absorção em luz vermelha 666 nm e a forma Fvd linha azul tem pico de absorção em luz vermelhodistante 730 nm e pouco no vermelho Fig173 Taiz e Zeiger 4ª ed Estado Fotoestacionário absorção no azul e no ultravioleta Comprimento de onda nm Absorbância Fvd absorve no vermelho 666 730 Fvd Fv Fvd Fvd Ftotal Estado fotoestacionário Quando as moléculas do Fv são expostas à luz vermelha a maior parte delas absorve os fótons e é convertida em Fvd porém parte do Fvd produzido também absorve a luz vermelha e é convertida de volta a Fv A proporção de fitocromo na forma Fvd após saturação com luz vermelha é de aproximadamente 88 Luz vermelha saturante Fv inativa 12 Fvd ativa 88 Luz vermelha distante saturante Fvd ativa 2 Fv inativa 98 Referese a proporção das formas Interconversíveis de fitocromo vermelho Fv e fitocromo vermelho distante Fvd após saturação com luz vermelha e luz vermelha distante respectivamente Estado fotoestacionário Quando as moléculas do Fvd são expostas à luz vermelha distante a maior parte delas absorve os fótons e é convertida em Fv porém parte do Fv produzido também absorve a luz vermelha distante e é convertida de volta a Fvd A proporção de fitocromo na forma Fvd após saturação com luz vermelha distante é de aproximadamente 2 Fvd Ftotal 88 Fvd Ftotal 2 Respostas fotorreversíveis A reversibilidade das respostas do vermelho e do vermelhodistante levou à descoberta de que um único fotorreceptor fotorreversível fitocromo é o responsável por ambas as atividades Tab161 Taiz et al 6ª ed Referese a proporção das formas Interconversíveis de fitocromo vermelho Fv e fitocromo vermelho distante Fvd após saturação com luz vermelha e luz vermelha distante respectivamente Germinação de sementes Sementes embebidas foram submetidas a tratamentos alternados de luz vermelha seguida de luz vermelhodistante A luz vermelha promove a germinação das sementes porém seu efeito é revertido pela luz vermelhodistante O efeito do tratamento de luz depende do último tratamento aplicado Fig165 Taiz et al 6ª ed Fv inativa Fvd ativa Luz vermelha Luz vermelho distante Estimula a germinação Inibe a germinação Respostas em fluência muito baixa VLRFs Entre 00001 molm 2 110 flash vagalume e 005 molm 2 002 phyA em Fvd Presença de reciprocidade Não reversível por luz vermelho distante Ex germinação de sementes de Arapidopsis Respostas em fluência baixa LRFs Entre 1 molm 2 e 1000 molm 2 Presença de reciprocidade Reversível por luz vermelho distante Ex germinação de sementes de alface movimentos foliares Respostas em irradiância alta HIRs Alta irradiância molm 2s1 Ausência de reciprocidade Não reversível por luz vermelho distante Ex síntese de antocianinas em dicotiledôneas Taxa de fluência As respostas do fitocromo baseadas na sua sensibilidade à fluência podem ser divididas em três categorias com base na quantidade de luz exigida respostas em fluência muito baixa VLFRs respostas em fluência baixa LFRs e respostas em irradiância alta HIRs Fig1612 Taiz et al 6ª ed Resposta em fluência baixa Os espectros de ação para os dois efeitos antagonistas da luz sobre a germinação de sementes de Arabidopsis onde a estimulação mostra um pico na região do vermelho 660 nm enquanto a inibição tem um pico na região do vermelhodistante 720 nm Fig166 Taiz et al 6ª ed Germinação 660 720 Eficiência quântica relativa Comprimento de onda nm Resposta em irradiância alta As respostas em irradiância alta HIR não são fotorreversíveis e requerem uma exposição prolongada ou contínua à luz de irradiância relativamente alta sendo a resposta proporcional à irradiância como pe a inibição do alongamento do hipocótilo de plântulas de alface cultivadas no escuro Fig179 411Taiz e Zeiger 3ª ed Uma importante função do fitocromo é que ele permite que as plantas percebam o sombreamento por outras plantas por meio diminuição da razão de luz vermelhavermelhodistante VVD Parâmetros de luz em ambientes naturais Taxa de fluência total em fótons 400800 nm e os valores de RFR em oito condições e ambientes naturais Em comparação com a luz do dia há proporcionalmente mais luz vermelhodistante durante o pôrdosol sob 5 mm de solo ou abaixo da cobertura de outras plantas como sobre o chão de uma floresta Tab182 Taiz et al 6ª ed Evitação da sombra Para uma planta de sol ou planta que evita a sombra existe um claro valor adaptativo em alocar recursos em direção a crescimento mais rápido em extensão podendo aumentar suas chances de crescer acima do dossel e adquirir uma maior porção de radiação fotossinteticamente ativa direta ou nãofiltrada Fig1829 Taiz et al 6ª ed Baixa VVD Alta VVD Evitação da sombra As plantas que alongam o caule em resposta ao sombreamento são ditas exibir uma resposta de evitação da sombra A medida que aumenta a quantidade de luz vermelhodistante 730 nm há um maior acúmulo da forma Fv diminuindo a razão de FvFvd ou FvdFtotal o qual promove o alongamento do caule Fig 228Hopikins 4ª ed VVD 1 sol VVD 1 sombra Evitação da sombra Efeitos de phyA e phyB na evitação à sombra Plantas crescendo em clareiras ambiente rico em luz V acumulam preferencialmente phyB Plantas em condições sombreadas ambiente rico em luz VD acumulam phyA Como phyA é instável ao ser degradado ele é posteriormente substituído por phyB V V V VD VD VD Luz contínua Ambiente sombreado VVD 1 Ambiente aberto VVD 1 Fotorreceptores Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UV envolvem moléculas receptoras que detectam comprimentos de onda específicos da luz e induzem alterações de desenvolvimento ou fisiológicas Quatro classes principais de fotorreceptores medeiam os efeitos da luz vermelha azul e da radiação UVB os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UVB envolvem quatro classes principais de fotorreceptores os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Criptocromos O criptocromo é um dímero composto por duas subunidades que por sua vez contém um domínio Nterminal relacionado à fotoliase PHR que se liga ao cofator de captura de luz 510metiltetrahidrofolato MTHF e o cofator catalítico flavina adenina dinucleotídeo FAD ligados não covalentemente à proteína Fig1616ª modificada Taiz et al 6 ed Criptocromos são proteínas absorventes de luz azul que possuem um domínio N terminal relacionado à fotoliase PHR que se liga a pterina 510metiltetraidrofolato MTHF e a flavina adenina dinucleotídeo FAD Porção Nterminal Porção C terminal Domínio fotoliase Cromóforo Criptocromo O criptocromo atua como um interruptor molecular de luz em que a absorção de fótons azuis na extremidade Nterminal da região fotossensora resulta em mudanças conformacionais em proteínas no Cterminal Após ativação a proteína é transportada para o núcleo onde é envolvida nas interações proteínaproteína que iniciam a sinalização a jusante resultando na acumulação de antocianina a iniciação da fotomorfogênese e a inibição do alongamento Fig1311 Taiz et al 1a ed A absorção de luz azul por cromóforos no domínio Nterminal relacionado à fotoliase PHR tem como consequência uma mudança conformacional do domínio Cterminal do criptocromo CCT possibilitando a sinalização Inibição do alongamento do caule Os gráficos de barra mostram os fenótipos de uma planta transgênica superexpressando o gene que codifica o CRY1 CRY1 OE o tipo selvagem WT e os mutantes cry1 A resposta melhorada à luz azul da planta superexpressando CRY1 demonstra o importante papel deste produto gênico na estimulação da biossíntese de antocianina e na inibição do alongamento do cauleFig1617B Taiz et al 6a ed A superexpressão da apoproteína CRY1 em indivíduos transgênicos de tabaco ou Arabidopsis resulta em uma inibição mais forte do alongamento do hipocótilo estimulada pela luz azul A superexpressão da apoproteína CRY1 em indivíduos transgênicos de tabaco ou Arabidopsis resulta também em um aumento na produção de antocianinas estimulada pela luz azul Inibição do alongamento do caule Os gráficos de barra mostram os fenótipos de uma planta transgênica superexpressando o gene que codifica o CRY1 CRY1 OE o tipo selvagem WT e os mutantes cry1 A resposta melhorada à luz azul da planta superexpressando CRY1 demonstra o importante papel deste produto gênico na estimulação da biossíntese de antocianina Fig1617a Taiz et al 6a ed Fotorreceptores Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UV envolvem moléculas receptoras que detectam comprimentos de onda específicos da luz e induzem alterações de desenvolvimento ou fisiológicas Quatro classes principais de fotorreceptores medeiam os efeitos da luz vermelha azul e da radiação UVB os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UVB envolvem quatro classes principais de fotorreceptores os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Fototropina As proteínas fototropinas consistem de dois domínios luzoxigêniovoltagem LOV cada um com cromóforo de flavina mononucleotídeo FMN ligado um domínio Cterminal de serinatreonina quinase e uma região αhélice Jα que une os domínios Nterminal e Cterminal Fig1621A Taiz et al 6 ed A fototropina é uma proteína fotorreceptora contendo dois domínios fotossensíveis LUZ OXIGÊNIOVOLTAGEM LOV1 e LOV2 cada um ligando um cromóforo flavina mononucleotídeo FMN e um domínio de quinase Fototropina A absorção de fótons azuis pelos domínios LOV resulta em alterações fotoquímicas primárias que levam à liberação do domínio de cinase e a sua ativação pelo desdobramento da Jαhélice A ativação do domínio de cinase Cterminal em seguida leva à autofosforilação do receptor em múltiplos resíduos de serina Fig1622 Taiz et al 6ed A absorção de fótons azuis pelos domínios LOV resulta em alterações fotoquímicas primárias que levam à soltura do domínio de quinase e a sua ativação via autofosforilação Fototropina A percepção da luz azul pelos domínios LOV resulta em autofosforilação e uma mudança conformacional drástica que expõe o domínio quinase A fosforilação direta de proteínasalvo via domínio quinase resulta em mudanças como abertura estomática fototropismo e relocalização dos cloroplastos Fig 1312 Taiz et al 1a ed A fototropina é uma proteína fotorreceptora contendo dois domínios fotossensíveis LUZ OXIGÊNIOVOLTAGEM LOV1 e LOV2 cada um ligando um cromóforo flavina mononucleotídeo FMN e um domínio de quinase Espectro de absorção de fototropina O espectro de absorção para o domínio LOV2 da fototropina que contém o cromóforo flavina mononucleotídeo FMN flavin mononucleotide é idêntico ao espectro de ação para o fototropismo coerente com a atuação da fototropina como o fotorreceptor para essas respostasFig167B Taiz et al 6ed O espectro de absorção para o domínio LOV2 da fototropina que contém o cromóforo flavina mononucleotídeo FMN mostra um padrão de três dedos na região dos 400 a 500 nm que é característico de respostas específicas à luz azul Fototropismo Quando irradiado com luz unilateral azul o coleóptilo de milho cresce em direção à luz Por outro lado mutantes com respostas fototrópicas alteradas em relação a luz azul não apresentam a curvatura das plântulas Fig 163 modificada Taiz et al 6ª ed Em exposição a luz azul unidirecional a auxina produzida no ápice do coleóptilo é transportada lateralmente para o lado sombreado fazendo esse lado do coleóptilo crescer mais rápido do que o lado iluminado Fototropismo Modelo do movimento basípeto de auxina linhas vermelhas associado com o fototropismo em plântulas de Arabidopsis aclimatadas ao escuro Fig1824 Taiz et al 6ed Redistribuição de cloroplastos Em condições de pouca luz os cloroplastos otimizam a absorção de luz acumulandose nos lados superior e inferior das células do parênquima paliçádico Em condições de luz alta os cloroplastos evitam a luz solar migrando para as paredes laterais das células do parênquima paliçádico No escuro os cloroplastos movemse para a parte inferior da célula no escuro Fig1623 Taiz et al 6ed As folhas podem alterar a distribuição intracelular de seus cloroplastos em resposta às mudanças nas condições de luz uma característica é adaptativa que modula a absorção de luz e impede o dano por excesso de luz As folhas podem alterar a distribuição intracelular de seus cloroplastos em resposta às mudanças nas condições de luz uma característica é adaptativa que modula a absorção de luz e impede o dano por excesso de luz Redistribuição de cloroplastos Na presença de luz solar total CHUP1 chloroplast unusual positioning1 ligase ao envoltório do cloroplasto e recruta actina G e proteínas de polimerização de actina profilinas para estender um filamento de actina F existente A CHUP1 e o cloroplasto são então empurrados pela actina G inserida gerando a força motriz para o movimento dos cloroplastos Fig1624 Taiz et al 6ed Abertura estomática A abertura estomática na superfície abaxial medida pela largura da fenda estomática segue de perto o curso diário de luz incidente sobre a folha ou seja os estômatos abremse quando os níveis de luz que chegam à superfície da folha aumentam e fechamse à medida que a luz diminui Fig102 Taiz et al 6ª ed Fototropinas A luz azul percebida pelas fototropinas modula a osmorregulação das célulasguarda pela ativação de HATPases na membrana plasmática e do bombeamento de prótons pela captação de solutos e estimulação da síntese de solutos orgânicos e pela inibição de canais de ânions da membrana plasmática que em conjunto acarreta na abertura estomática Fig1626 modificada Taiz et al 6ª ed Fototropinas A luz azul promove a autofosforilação das fototropinas que então ativam uma proteína regulatória denominada CBC Convergence of Blue Light and CO2 que inibem o transporte de Cl para fora da célula o que promove o aumento de ingresso de Cl para o interior do vacúolo Fig1626 modificada Taiz et al 6ª ed Fototropinas As fototropinas ativadas fosforilam o complexo BLUS1 Blue Ligth Signaling 1cinase ativa etapas sequencias de fosforilação de proteínas que ativam HATPases da membrana plasmática mediante ligação de uma proteína 1433 estabilizando a bomba de prótons no estado ativo Fig1626 modificada Taiz et al 6ª ed Fototropinas A ativação de HATPases hiperpolariza a membrana plasmática o que aumenta o movimento de K para a célulaguarda A absorção de K pelo vacúolo é coordenada com a absorção de Cl e malato2 Esses movimentos de íons reduzem o potencial osmóticos e por consequência o potencial hídrico do vacúolo acarretando na absorção de água a expansão vacuolar e abertura estomática Fig1626 Taiz et al 6ª ed A luz azul percebida pelas fototropinas modula a osmorregulação das célulasguarda pela ativação de HATPases na membrana plasmática e por consequência a captação de solutos que em conjunto acarreta na abertura estomática Fotorreceptores Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UV envolvem moléculas receptoras que detectam comprimentos de onda específicos da luz e induzem alterações de desenvolvimento ou fisiológicas Quatro classes principais de fotorreceptores medeiam os efeitos da luz vermelha azul e da radiação UVB os fitocromos os criptocromos as fototropinas e o UVR8 Todas as fotorrespostas à luz visível assim como à radiação UVB envolvem quatro classes principais de fotorreceptores os fitocromos os criptocromos as fototropinas e UVR8 UVR8 A forma inativa de UVR8 é um dímero que consiste de dois monômeros unidos por pontes salinas com uma série de resíduos de triptofano na superfície de interação Esses resíduos de triptofano percebem a UVB resultando nas mudanças estruturais que geram os dois monômeros ativos que são então transportados para o núcleo onde participam nas interações proteínaproteína que resultam na regulação a jusante de genes responsivos à UVB Fig 1319 Taiz et al 1a ed O fotorreceptor de irradiação UVB é o UVR8 um dímero que consiste de dois monômeros unidos por pontes salinas com uma série de resíduos de triptofano na superfície de interação e que carece de um cromóforo prostético UVR8 Ao absorverem fótons de UVB os resíduos de triptofano sofrem alterações estruturais que quebram as pontes salinas o que leva à dissociação dos dois monômeros funcionalmente ativos Estes em seguida interagem com os complexos COP1SPA um regulador positivo durante a sinalização de UVB que ativa a transcrição do importante fator de transcrição HY5 que controla a expressão de muitos dos genes induzidos pela UVB Fig 1628 Taiz et al 6 ed O UVR8 interage com outros complexos proteicos para ativar a transcrição de genes induzidos pela UVB Além dos seus efeitos citotóxicos a radiação UVB pode provocar uma gama ampla de respostas fotomorfogênicas incluindo a inibição de hormônios promotores do crescimento e a otimização de hormônios de defesa induzidos por estresse Respostas à radiação ultravioleta Além dos seus efeitos citotóxicos a radiação UVB pode provocar uma gama ampla de respostas fotomorfogênicas incluindo a inibição de hormônios promotores do crescimento tais como auxina e giberelinas e a otimização de hormônios de defesa induzidos por estresse Tab163 Taiz et al 6ª ed